資料置場 コマの物理から素粒子のスピン

陽子のスピン

https://sites.google.com/site/komaspin/

陽子について

陽子のスピン

クォークと核子

素粒子の分類およびその相互作用に関する発見 1969年 マレー・ゲルマン

素粒子の分類およびその相互作用に関する発見

u u d

u d d

（アップ、アップ、ダウン）

陽子 中性子

（アップ、ダウン、ダウン）

1969年 マレー・ゲルマン

素粒子の分類およびその相互作用に関する発見

ハドロン　（強粒子）

バリオン（重粒子） メソン（中間子）

q q

q

q q

クォーク３個 ^{クォークと反クォーク}

1969年 マレー・ゲルマン

素粒子の分類およびその相互作用に関する発見

陽子 ^{u u d} 中性子 u d d

^{ u u u}

^

⁻

^

u u d u d d d d d

^{0 u d s}

反陽子 u u d

^{0 u d s}

^{− d d s}

^{ u u s}

クォークの電荷 電荷 +2/3

電荷 -1/3

ハドロン　（強粒子）

バリオン（重粒子） クォーク３個 メソン（中間子） クォークと反クォーク

反バリオン（重粒子） 反クォーク３個

^{ u d}

^{− d u}

^{0 u u d d}

K^{− s u}

K^{ u s} K^{0 d s} K^{0 s d}

^{0 u u d d s s}



=2.792847356±0.000000023 



=−1.9130427±0.0000005 

p

=3.1524512326 45×10^{−14 MeV}/T 核磁子(Nuclear magneton)

u u d u u d

クォークのスピンと陽子のスピン

 _p = ⁴

3 ^{ u −}

1

3 ^{ d  n =}

4

3 ^{ d −}

1

3 ^{ u}

 _p

 _n ⁼⁻

3

2

実験結果は

−1.46 ....

2.79 _

N

^{=−3 }

^m

^=m

^=m

/2.79=938 MeV/2.79=336 MeV

クォークと核子の磁気能率

d d u d d u

中性子のスピン u ←→ d

m_u=m_d e_u=−2 e_d

 _u =−2 _d

u u u

パウリの排他原理から　

→　同じスピンのアップクォークは存在できない

→　別の自由度が必要：　３成分必要

カラー自由度：

クォークは　_赤(R)、_青(B)、_緑(G)　のカラー（色電荷）を一つ持つ 反クォークは補色（反色）：_反赤(R)、_反青(B)、_反緑(G)　を持つ ハドロンは、白色となるようなカラーの組み合わせをとる

R B G バリオン

R B G

反バリオン _メソン

R R B B

G G 1969年 マレー・ゲルマン

素粒子の分類およびその相互作用に関する発見

Δバリオンのスピンは 3/2

クォーク間の力：　強い力

構成粒子 力の種類 中間子 質量 到達距離

原子 電子と原子核 電磁力 光子

無限遠

原子核 陽子と中性子 核力 パイ粒子 陽子の

倍

弱い力

・

粒子 陽子の約

倍

陽子 クォーク 強い力 グルーオン

無限遠

構成粒子 力の種類 中間子 質量 到達距離

原子 電子と原子核 電磁力 光子

無限遠

原子核 陽子と中性子 核力 パイ粒子 陽子の

倍

弱い力

・

粒子 陽子の約

倍

陽子 クォーク 強い力 グルーオン

無限遠

強い力の性質 遠く離れれば離れるほど　力が強くなる

近づくほど弱くなる _{→　漸近的自由性}

※　電磁気力：遠距離では力は弱くなる、近づくほど強くなる

2004年 デヴィッド・グロス、H・デヴィッド・ポリツァー、フランク・ウィルチェック 強い相互作用の理論における漸近的自由性の発見

高エネルギー粒子の『衝突』・『散乱』

だるま落としの特徴

・　十分勢いをつけて

・　コマの

つだけを打ち抜くと

・　他のコマはそのままで、打ち出される

・　上のコマはだるまを倒さずに

・　下にずれる

強くたたくと、コマはお互いに『自由』に振る舞う

?漸近的自由性?

陽子の内部を探る：　 電子とクォークの『衝突』と『散乱』

散乱された電子を詳しく調べる事で、

陽子の中に

『何個のクォーク』

が入っているか分かる

『ビリヤード』　＋　『だるま落とし』

『ビリヤード』　＋　『だるま落とし』

加速された粒子 例）　電子

陽子の中のクォーク はじき飛ばされたクォーク

散乱された粒子

当たらないと素通り

陽子の中にあるクォークの数

『陽子の中に粒子が３個ある』

1990年 ジェローム・アイザック・フリードマン、ヘンリー・ケンドール、リチャード・E・テイラー 素粒子物理学におけるクォーク模型の決定的重要性をもった、

陽子および中性子標的による電子の深非弾性散乱に関する先駆的研究

グルーオンとクォークの対生成

強い力 ＝ バネ（グルーオン：　膠粒子・のり粒子）

クォーク クォーク

グルーオン

クォークを引き離すと

引力がどんどん強くなる

エネルギーがたまって

クォーク

反クォーク

クォーク・反クォーク対が

沢山生成される。

陽子の中でもクォーク・反クォーク対が沢山生成されている

陽子はクオークスープのコップ?

陽子は大きさが

のコップで、

中はクォーク・反クォーク・グルーオン

で出来たスープで満たされている。

陽子の物理的性質を決める

３つの『価クォーク』が

スープの上に浮かんでいる

1990年 ジェローム・アイザック・フリードマン、ヘンリー・ケンドール、リチャード・E・テイラー 素粒子物理学におけるクォーク模型の決定的重要性をもった、

陽子および中性子標的による電子の深非弾性散乱に関する先駆的研究

1990年 ジェローム・アイザック・フリードマン、ヘンリー・ケンドール、リチャード・E・テイラー 素粒子物理学におけるクォーク模型の決定的重要性をもった、

陽子および中性子標的による電子の深非弾性散乱に関する先駆的研究

陽子スピンの起源

複合粒子の『スピン』　＝　構成粒子の『スピン』

※　ヘリウム原子核（陽子２＋中性子２）のスピンは　０

ところが...

1988年 CERN（スイス）- Europeam Muon Collaboration

『クォークのスピンを足しても誤差の範囲でゼロ』

原子・原子核レベルで成立していた法則が　『破綻』　している?

（そもそも量子論で成り立つべき足し算）

『陽子スピンの危機』

CERN-EMC実験

スピンをそろえた陽子標的 スピンをそろえた陽子標的 スピンをそろえたミュー粒子ビーム

約 10¹¹電子ボルト　（数百億電子ボルト） 解像度は 陽子の100分の１

スピンをそろえたミュー粒子ビーム

約 10¹¹電子ボルト　（数百億電子ボルト） 解像度は 陽子の100分の１

ビームと標的のスピンをそろえると

陽子の内部にどれくらいスピンの揃った クォークが存在するか

を明らかにできる。

ビームと標的のスピンをそろえると

陽子の内部にどれくらいスピンの揃った クォークが存在するか

を明らかにできる。

陽子スピンの謎にせまる研究

『陽子スピンの危機』

およそ四半世紀にわたる研究の始まり いまだ未解決の問題

『鍵』は再び　　クォークの『軌道』と『スピン』　に?

『とある模型の理論予想』 　クォークのスピン状態が 　クォークの軌道に影響を 　与えている

らしい

s _p

電子の軌道

あくまで『模型』なので...

「陽子のスピンを探る実験」 + 「関係する実験・加速器」

CERN-COMPASS

FNAL DESY-HERMES BNL-RHIC/spin

KEK

その他にもありますが、省略。

DESY-HERMES実験

電子ビーム 電子ビーム

電子と陽子内のクォークとの衝突・散乱 電子と陽子内のクォークとの衝突・散乱

各種放射線検出器の組み合わせで 散乱された電子を検出

エネルギー 散乱方向 を調べる

各種放射線検出器の組み合わせで 散乱された電子を検出

エネルギー 散乱方向 を調べる

ドイツ・ハンブルク

DESY-HERMES実験(1995 ~ 2007) ドイツ・ハンブルク

DESY-HERMES実験(1995 ~ 2007)

HERMES実験検出器

陽子の内部を探る実験としては　小・中規模の実験です

CERN-COMPASS実験

山形大学 YU-COE

核子

陽子・中性子の総称 核子

陽子・中性子の総称

実は　「有機EL」　と同程度に

山形大学を上げてとりくんでいる研究ですよ

という宣伝です