第２回　星の一生星は生まれてから死ぬまでに元素を造りばらまく

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素粒子世界の物理

１．素粒子の世界２．素粒子の標準模型３．標準模型の困難：ニュートリノ質量と暗黒物質４．統一理論

物質を形作るミクロの

世界の不思議

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１．素粒子の世界

•自然界のあらゆる物質は原子に分解される。しかし、原子は最小の構成要素ではなく、さらに原子核と電子に分解できる。原子核はさらに下部構造を持っており、現在、我々が到達可能な究極の構成要素が素粒子である。 •素粒子の世界の構造と物理は、我々が日常生活で経験する物理とは全く異なる特徴を持っている。 •そのような極微の世界の物理を我々はどのようにして調べることができるのだろうか。

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様々な物質は

原子から構成

される

原子の大きさ 1億分の1cm程度水素原子：１円玉 ⇔ 野球のボール：地球

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原子核は核子（陽子と中性子）から構成される核子は3個のクォークから構成される原子核の大きさは、原子の大きさの 10万分の1程度湯川は陽子と中性子の間に働く力を説明するために新たな粒子の存在を予言し、素粒子物理の世界の最初の開拓者となったクォークの大きさは、原子核の大きさの 10分の1より小さい

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宇宙的構造物星、銀河、銀河団 ≧10 cm 10 生命体など 10 cm 2 ～原子、分子 10 cm～10 cm －8 －6 原子核 10 cm～10 cm －12 －13 陽子、中性子～10 cm －13 初期宇宙現在の宇宙 150億年ビッグバンと宇宙膨張力と物質構造の進化素粒子の研究は現在の宇宙の構造解明にもつながる高温高密度素粒子のスープ

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素粒子の世界はどのような世界か? ・小さな領域を調べる・素粒子を作り出す膨大なエネルギーが必要干渉などの現象対応する現象なし粒子の運動状態エネルギー運動量 E p 波動の運動状態振動数波長 ν λ 量子力学粒子性と波動性の二重性粒子の位置と運動量は同時には決まらない相対性理論質量とエネルギーは等価素粒子の世界を統べる法則

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加速器実験加速粒子の衝突高エネルギー反応素粒子の世界の調べ方 I 欧州原子核研究機構（CERN）検出器トンネルとビームライン反応の検出

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非加速器実験ニュートリノ反応のようなまれにしか起こらない反応大容量の観測装置多量の反応を観測池の山１３００メートル１０００メートル光電子増倍管で壁面を覆い尽くされた巨大な純水槽スーパーカミオカンデ素粒子の世界の調べ方 II

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２．素粒子の標準模型

•素粒子実験を通して明らかになってきた素粒

子の世界は、それから作り上げられている自

然界の複雑な姿に比して、極めて単純な構造

をしている。

•素粒子の世界は、物質の構成要素としての

物質粒子と物質粒子の間に力を生じさせる

ゲージ粒子、そして質量の起源となるヒッグ

ス粒子から成り立っている。

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素粒子の標準模型「標準模型」の世界クォ｜クレプトン第一世代 第二世代第三世代 アップダウンチャームストレンジトップボトム電子ニュートリノ電子ミューニュートリノミューオンタウニュートリノタウオン強い相互作用グルーオン電磁相互作用光子弱い相互作用Ｗボソン Ｚボソン 物質粒子相互作用の媒介粒子現在，正しいとされている素粒子の世界を記述する模型ヒッグス粒子質量を生み出す粒子 H 唯一の未発見粒子 LHC実験での発見が期待される

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強い相互作用

強い相互作用はクォークの色に働くグルーオン赤クォーク青クォーク青クォーク赤クォーク強い相互作用＝グルーオンの交換陽子 u-クォーク u-クォーク d-クォーク

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弱い相互作用

弱い相互作用は香りに働く弱い相互作用＝Ｗ、Ｚ粒子の交換 e （β崩壊） 高速増殖炉原型炉「もんじゅ」電子中性子陽子 u d d u d u Ｗ粒子－反ニュートリノｎ_{→ｐ＋ｅ＋ν}

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電磁相互作用

電磁相互作用は電荷に働く電磁相互作用＝光子の交換電子 μ粒子 電子 _μ粒子 光子 http://www5.wind.ne.jp/hosono/inazuma.htm 朝永は、量子力学的電磁相互作用を詳細に調べ、素粒子の数学的取り扱いの基礎となる繰り込み理論を作り上げた。

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重力相互作用

重力相互作用は質量に働く

重力相互作用＝重力子の交換

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物質粒子の構造同じ電荷の粒子群_{(u,c,t) (d,s,b) (ν ,ν ,ν )}_{e μ τ (e,μ,τ)} 世代構造 ( u, d, ν , e ) ( t, b, ν , τ ) ( c, s, ν , μ ) _μ τ e 第1世代第2世代第3世代同じ粒子構造世代数は？世代間の違いは？？世代構造の起源は？？？世代構造に関わる謎小林・益川は3世代目の粒子が見つかっていない段階で、粒子反粒子対称性（CP対称性）の破れをもとに 6個のクォークが存在することを予言した。

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「Zボゾンの質量の半分より軽い質量のニュートリノは ν ν ν の3種類に限られる」 _e _{μ τ} Zボゾンの崩壊 Z ν ν νの数は３種類

クォーク、レプトンの世代数は３

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世代間の違い

質量の大きさ

m (5MeV) < m (1.2GeV) < m (174GeV) m (9MeV) < m (120MeV) < m (4.4GeV) m (0.5MeV) < m (105MeV) < m (1.8GeV)

u c t d s b e μ τ 第1世代第2世代第3世代～20倍程度～20倍程度

物質粒子の世代間階層構造の起源は？？？

ニュートリノの質量は？

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ヒッグス粒子と素粒子の質量

ヒッグス粒子とどのぐらい強く衝突しやすいかで質量の大きさが決まる対称性が破れる前の真空状態対称性が自発的に破れた後の真空状態ヒッグス粒子が詰まった状態衝突するものなしヒッグス粒子は真空（エネルギー最低状態）の性質を決める

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３．標準模型の困難

•標準模型は様々な実験結果をうまく説明して

きたが、近年、標準模型では説明できない実験

事実が知られるようになってきた。

•ニュートリノ質量の存在と宇宙における暗黒物

質の存在は、標準模型では説明できないため、

標準模型はこれらを説明できるように拡張さ

れるべきだと考えられている。

•暗黒物質については、第4回の講義で触れた。

ここでは、ニュートリノ質量について説明しよう。

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物質粒子の質量

P

S

＋

右巻き粒子

左巻き粒子

混合

標準模型には右巻きニュートリノが含まれない！！ニュートリノは質量ゼロ

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β崩壊

n p + e + ν

_e エネルギー分布を調べる電子質量の10 倍以下－5

ν

_e

ν, ν

_μ _τ π, μ ν _{ニュートリノ以外の粒子の} エネルギーなどを調べる電子質量の0．3倍、36倍以下ニュートリノ質量についての実験的制限上限値のみが知られているニュートリノは弱い相互作用しかしない直接観測は難しいニュートリノの質量はきわめて小さい

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ニュートリノに質量があると

ニュートリノの種類が変わる



_e



_



_ これを実験的に観測するニュートリノ振動実験

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ニュートリノ振動発生飛行距離 L 観測確率振動長観測点時間の経過（飛行距離）とともに AニュートリノとBニュートリノの間で振動 B A （Aの質量の2乗）－（Bの質量の2乗）～ニュートリノ振動がAとBの間で顕著に現れる条件例えば、原子炉からの反電子ニュートリノ E ～ 10 MeV L ～ 100 m とすれば Δm 2 = 0.1 ～ 1 eV 2 ならばニュートリノ振動が見える E(エネルギー) L(飛行距離)

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大気ニュートリノの場合大気宇宙線(p) π μ ν ＋＋ μ ＋ e ν ν _{μ e} ν _e μ ν 電子ニュートリノ数ミューニュートリノ数＝ 1 2 期待される観測結果観測結果～1 ！大気ニュートリノ問題スーパーカミオカンデによる統計精度の改善日本の研究グループは大気ニュートリノ、太陽ニュートリノ、原子炉ニュートリノのニュートリノ振動実験を通してニュートリノに質量があることを示した。

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観測結果の一例地球の裏から上空から質量0の場合の理論値実測データスーパーカミオカンデでの観測データの例上空からのニュートリノ数地球の裏からのニュートリノ数

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４．統一理論

•標準模型では、クォークとレプトンは別種類の粒子と考えられ、電磁力、弱い力、強い力は全く別種類の力と考えられている。 •しかし、これらは元々の1種類の粒子、1種類の力が宇宙の進化の過程で分化し、別の粒子、別の力となった可能性がある。このような考え方に基づき作られる理論は統一理論と呼ばれ、その発見は素粒子物理究極の目標となっている。 •統一理論で説明できそうないくつかの謎がある。

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1種類の力から宇宙は始まった？電磁力、弱い力、強い力、それぞれの強さを表す結合定数は、宇宙の温度とともに変化する。強い力弱い力電磁力力の統一同じ力だった力の強さの逆数宇宙の温度現在 _{ビッグバン} 力が分かれることでクォーク・レプトンにも区別が生じる

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宇宙にどうして反物質（反粒子）は無いのか？宇宙初期には同数の粒子と反粒子が存在したが、ある時点で10億個につき、1個だけ粒子の数が多くなったとすれば、説明可能このようなことが起こりうるために必要な条件粒子反粒子光対消滅する相手のいない粒子は消えずに残る • クォークをレプトンに変える過程の存在すること • 粒子を反粒子と入れ替える対称性が破れていること統一理論を考えることで、これらが満足される可能性が生じる

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暗黒物質の起源は何か？物質標準模型には暗黒物質の候補となり得る粒子が含まれていないが、このような粒子は統一理論を考えることによって導入される可能性がある。代表的な候補ニュートラリーノ最も有力な候補は宇宙初期に多量に存在した粒子 • 弱い力程度の強さの力を受ける • 質量を持ち、電気的に中性で安定である粒子数密度宇宙温度現在ビッグバン現在の暗黒物質量

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ニュートリノ質量はなぜ極端に小さいのか？統一理論を考えることにより、他のクォーク・レプトンに比べてニュートリノ質量が極端に小さいことをうまく説明できる重い右巻きニュートリノシーソー機構右巻きニュートリノだけがなぜ極端に重いのか？ ν R 軽いニュートリノの実現統一理論を考えると説明ができる

第２回 星の一生 星は生まれてから死ぬまでに元素を造りばらまく