平成23年度発見の歴史（物理学）

(1)

YAMAGATA UNIVERSITY

https://sites.google.com/site/hakkennorekishibutsurigaku/ping-cheng23nian-du

『天使と悪魔』

と　ノーベル物理学賞

講義の後半部分への前振り

(2)

重要なキーワード

CERN

反粒子加速器

(3)

CERN:　欧州素粒子原子核研究機構

CERN

European Organization for Nuclear Research

(4)

ATLAS実験

http://www.atlas.ch/

(5)

山形大学とCERN

CERN-COMPASS実験

理学部物理学科　岩田教授

(6)

ATLAS実験が『反物質を作った』実験ではありません・・・

『反物質』の話に入る前に・・・

(7)

CERNに関連したノーベル賞

1984年　カルロ・ルビア、シモン・ファンデルメール弱い相互作用を媒介する場であるW粒子およびZ 粒子の発見を導いた巨大プロジェクトへの決定的貢献

1992年　ジョルジュ・シャルパク

粒子検知器、特に多線式比例計数管の発明および発展 1992年　ジョルジュ・シャルパク

粒子検知器、特に多線式比例計数管の発明および発展

(8)

粒子加速器とは？

減圧気体容器

陰極

(-V)

陽極

(+V)

クルックス管も加速器の一つ

ブラウン管も小さな

『電子加速器』

電場によって『荷電粒子』を加速させる装置

(9)

ノーベル物理学賞に見る加速器の発展

1951年　ジョン・コッククロフト、アーネスト・ウォルトン

加速荷電粒子による原子核変換の研究

1961年　ロバート・ホフスタッター

線形加速器による高エネルギー電子散乱の研究と核子の構造に関する発見

1939年　アーネスト・ローレンス

サイクロトロンの開発および人工放射性元素の研究 1939年　アーネスト・ローレンス

サイクロトロンの開発および人工放射性元素の研究

(10)

加速器の発展

KEK陽子加速器の前段加速器。到達エネルギー750 keV。 http://www.kek.jp/newskek/2002/marapr/evolt.html

加速荷電粒子による原子核変換の研究コッククロフト型加速器

(11)

加速器の発展

アメリカ・スタンフォード線形加速器センター（SLAC）

全長 3 km

(12)

加速器の発展

1932年にローレンスによって開発されたサイクロトロン(陽子を1MeV以上に加速)

The Physical Review 40 19 (1932)

Rutger大学のサイクロトロン

理研のサイクロトロン第２号機

（1944年）

1939年　アーネスト・ローレンス

サイクロトロンの開発および人工放射性元素の研究 1939年　アーネスト・ローレンス

サイクロトロンの開発および人工放射性元素の研究

(13)

大阪大学 RCNP リングサイクロトロン(1974年)

理化学研究所　リングサイクロトロン(2006年) 超伝導方式のリングサイクロトロン

現在のサイクロトロン

(14)

日本の加速器（加速器の形が分かる所）

J-PARC@東海村 KEK@つくば

SPring-8@兵庫県

(15)

世界の加速器色々

DESY

CERN

J-PARC

KEK

BNL

SLAC

FNAL JLab

(16)

BNL-AGS加速器とノーベル章

http://www.bnl.gov/bnlweb/history/images/AGS-5-141-57-sm.jpg

現在のBNL

AGS

1976年　バートン・リヒター、サミュエル・ティン J/ψ中間子の発見

1988年　レオン・レーダーマン、メルヴィン・シュワルツ、ジャック・シュタインバーガーニュートリノビーム法、およびミューニュートリノの発見によるレプトンの二重構造の実証 1988年　レオン・レーダーマン、メルヴィン・シュワルツ、ジャック・シュタインバーガーニュートリノビーム法、およびミューニュートリノの発見によるレプトンの二重構造の実証

(17)

粒子と反粒子　（物質と反物質）

物質 ^優勢

の世 ^界

真空

光

^物質^と反

物質

(18)

粒子と反粒子：　電子と正孔

自由電子

正孔

+V

−V −V +V

電子と逆負号の電荷をもつ正孔が電子を取り出す

電圧をかける電圧をかける

(19)

電子と正孔：　粒子と反粒子

正孔

光（電磁波）が

電子

電子と正孔を作り出す

正孔

電子

正孔と衝突　→　消滅 ^{光（電磁波）を作る} 電子と正孔の

対生成

電子と正孔の

対生成

電子と正孔の

対消滅

電子と正孔の

対消滅

(20)

『反粒子』とノーベル物理学賞

1936年　カール・デイヴィット・アンダーソン陽電子の発見

1959年　エミリオ・セグレ、オーウェン・チェンバレン反陽子の発見

1933年　エルヴィン・シュレディンガー、ポール・ディラック新形式の原子理論の発見

1933年　エルヴィン・シュレディンガー、^{ポール・ディラック} 新形式の原子理論の発見

2008年南部陽一郎、小林誠、益川敏英

クォーク3世代を予言した、「対称性の破れ」の起源の発見 2008年南部陽一郎、小林誠、益川敏英

クォーク3世代を予言した、「対称性の破れ」の起源の発見反粒子の発見

反粒子の定式化

加速器を使って反陽子生成に成功

(21)

放射線と陽電子

Na には

²²

Na（放射性同位体）がある。

(22)

22

_{Naからの放射線}

「コンセンサス原子力2010」より

22_Naはβ^＋_線を放出

β線 = 電子 β線 = 電子

β線 = 陽電子 β線 = 陽電子

β^＋^線

光（ガンマ線）を

_２個

放出

(23)

粒子と反粒子の『対消滅』

E ₌ m c ²

エネルギー ^質量 ^光速

質量とエネルギーの等価式

22_Naはβ^＋_線を放出

陽電子　＋　電子　→　２×ガンマ線

どちらも同じ質量（陽）電子質量と等価なエネルギー

(24)

22

Naから放出されるガンマ線のエネルギー

（陽）電子の質量に対応するエネルギーピーク

(25)

身の周りの反物質

PET：　ポジトロン断層法

写真はWikipediaより

陽電子

ガンマ線検出器

ガンマ線発生場所電子の場所を特定

電子

(26)

自然の階層構造

分子

電子

原子核

陽子

中性子

10

^-10

m

原子

10

^-9

m

10

^-14

m

10

^-15

m

ナノメートル

Å（オングストローム）

原子の大きさ ₁₀^-10_m 原子核の大きさ ₁₀^-14_m

~ 1^万分の１

原子の大きさ ₁₀^-10_m 原子核の大きさ ₁₀^-14_m

~ 1^万分の１

(27)

原子核が人の大きさ程度とすると

原子：　山形市 _{（～20 ｋｍ）} 原子核：バランスボール _{（1 ｍ）}

陽子・中性子：ソフトボール _{（10 ｃｍ）}

電子・クォーク：花粉以下　（< 0.1 ｍｍ）

原子核が人の大きさ程度とすると

原子：　山形市 _{（～20 ｋｍ）}

原子核：バランスボール _{（1 ｍ）}

陽子・中性子：ソフトボール _{（10 ｃｍ）}

電子・クォーク：花粉以下　（< 0.1 ｍｍ）

原子の大きさ原子の大きさ

原子核の大きさ原子核の大きさ

クォークの大きさクォークの大きさ陽子の大きさ

陽子の大きさ

(28)

本題に入る前に・・・　原子の重さは

例えば炭素は

原子核＋₆個の電子

炭素の原子核は

陽子 ₆個中性子 ₆個炭素の原子核は

陽子 ₆個中性子 ₆個

陽子・中性子の中にはクォーク　₃個

原子核の重さは

電子の重さの何万倍

『体重』を決めるのは原子核の個数原子核の重さは

電子の重さの何万倍

『体重』を決めるのは原子核の個数

原子核の重さは

陽子・中性子の数で決まる

『体重』は結局、陽子・中性子の数原子核の重さは

陽子・中性子の数で決まる

『体重』は結局、陽子・中性子の数

クォーク₃個の質量は

陽子の　約¹⁰⁰分の¹ クォーク₃個の質量は

陽子の　約¹⁰⁰分の¹

(29)

もっと身の周りの反物質

陽子の中をよーく見てみると

クォーク

グルーオン（ある種の『光』）

クォーク・反クォークの対生成・対消滅

陽子の中には大量のクォーク・反クォークが満ちている

陽子は自然の反物質容器!!

(30)

さらに脱線：　ディラック粒子

1933年　エルヴィン・シュレディンガー、ポール・ディラック新形式の原子理論の発見

1933年　エルヴィン・シュレディンガー、^{ポール・ディラック} 新形式の原子理論の発見

ポール・ディラック

ディラック粒子（質量0、半整数スピン）の

量子論＋特殊相対性理論に従う運動方程式を発見

粒子加速器で加速された、高エネルギーの電子

→　ディラック粒子として振る舞う

(31)

ディラック電子

グラフェンとも関係

(32)

反物質の保存容器

反物質は物質と触れると『光』になる ^どうやって保存する?

反物質

(33)

『イオントラップ』

1989年　ハンス・デーメルト、ヴォルフガング・パウルイオントラップ法の開発

電荷を持っている粒子を『電場』と『磁場』を使って閉じ込める

方法➀ _方法②

電場を動かして保持する磁場と電場で閉じ込める

(34)

CERNでの反物質生成

『天使と悪魔』はフィクションですが・・・・

CERNでの反物質生成はノンフィクション

@hayano

震災（特に原発事故）後は Twitter で 137176人にフォローされていたりします。

早野龍五教授

早野教授の研究の一つがまさに『CERNでの反物質生成』で・・・物理学者とともに読む

平成23年度 発見の歴史（物理学）

『天使と悪魔』

重要なキーワード

CERN

反粒子 加速器

CERN: 欧州素粒子原子核研究機構

CERN

European Organization for Nuclear Research

ATLAS実験

山形大学とCERN

CERNに関連したノーベル賞

粒子加速器とは？

陰極

(-V)

陽極

(+V)

ノーベル物理学賞に見る加速器の発展

加速器の発展

加速器の発展

加速器の発展

現在のサイクロトロン

日本の加速器（加速器の形が分かる所）

世界の加速器色々

BNL-AGS加速器とノーベル章

粒子と反粒子 （物質と反物質）

物質 優勢

の世 界

真空

光

粒子と反粒子： 電子と正孔

+V

−V −V +V

電子と正孔： 粒子と反粒子

対生成

対生成

対消滅

対消滅

『反粒子』とノーベル物理学賞

放射線と陽電子

Na には

Na（放射性同位体）がある。

Naからの放射線

２個

粒子と反粒子の『対消滅』

E = m c 2

エネルギー 質量 光速

Naから放出されるガンマ線のエネルギー

身の周りの反物質

自然の階層構造

10

m

10

m

10

m

10

m

本題に入る前に・・・ 原子の重さは

もっと身の周りの反物質

さらに脱線： ディラック粒子

ディラック電子

グラフェンとも関係

グラフェンとも関係

反物質の保存容器

『イオントラップ』

CERNでの反物質生成

平成23年度発見の歴史（物理学）

反粒子加速器

CERN:　欧州素粒子原子核研究機構

粒子と反粒子　（物質と反物質）

物質 ^優勢

の世 ^界

粒子と反粒子：　電子と正孔

電子と正孔：　粒子と反粒子

_{Naからの放射線}

_２個

E ₌ m c ²

エネルギー ^質量 ^光速

本題に入る前に・・・　原子の重さは

さらに脱線：　ディラック粒子