科学コミュニケーターが伝える
素粒子科学のいま、これから
ScienceWindow
別冊
宙
と
粒
との
出会
いの
物語
そ ら
つ ぶ
数
限
り
な
い
な
ぞ
宇宙に始まりはあるの
宇宙に終わりはあるの
わたしたちは、どこから来たの
この世界はどのようにしてできたの
?
?
?
?
大きさの果てを追う
Why?
表紙は、CERNのATLAS 検出器でとらえた 陽子と陽子の衝突実験。飛び散るさまざまな素粒子の軌跡。 ATLAS Experiment © 2013 CERN数限りないなぞ。Why? を求めて、 宇宙やものの究極を探ってきた科学者が、 いまどのようなテーマに立ち向かっているか。 研究者の深い思いや世界が注目している施設を、 科学と社会とのつなぎ役の サイエンスコミュニケーターたちが 分かりやすくお伝えする。
暗黒物質ってなに
物を分けていったら、なにになるの
私たちや物が存在するのは、なぜ
見えないものが在るって分かるのはどうして
?
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極小の世界を突き詰める
CONTENTS
02 数限りないなぞ Why？ 04 古代からの問い 06 インタビュー 謎に包まれた暗黒物質に迫る 村山斉・東京大学国際高等研究所カブリIPMU機構長 10 宇宙と物質の謎に挑んできた歴史 宙を見つめて／粒を見つめて 14 タイムマシンで宇宙の起源に迫る 16 素粒子ってなに？ 物質を構成する素粒子 力を伝える素粒子 謎だらけのヒッグス粒子 素粒子を見つける方法 加速器の原理 話題のキーワード 標準理論、反物質、暗黒物質、ダークエネルギー 22 いま、世界で期待を集める実験・観測装置 究極の物質探しに成果をあげる ： ＬＨＣ 地下深くで暗黒物質を狙う ： ＸＭＡＳＳ ビッグバンから100 億分の１秒以内に迫る ： ＩＬＣ すばると連携する超大型望遠鏡 ： ＴＭＴ 27 世界から集まる日本での国際研究 高エネルギー加速器研究機構（KEK） 東大カブリ数物連携宇宙研究機構（カブリIPMU） 30 インタビュー わたしたちは大型科学研究をどう理解し、判断したらよいか 横山広美・東京大学大学院理学系研究科准教授宙
そ らと粒
つ ぶとの出会いの物語
わ
た
し
た
ち
は
ど
こ
か
ら
来
て
、
ど
こ
へ
行
く
の
？
わ
た
し
た
ち
が
生
き
て
い
る
こ
の
世
界
は
、
ど
の
よ
う
に
で
き
た
の
？
世
界
や
わ
た
し
た
ち
は
、
何
で
で
き
て
い
る
の
？
人
間
は
太古
か
ら
、
こ
う
し
た
問
い
の
答
え
を
探
し
て
き
ま
し
た
。
空
の
上
が
神
の
領
域
だ
っ
た
時
代
に
は
、
神
話
と
い
う
形
で
。
そ
し
て
の
ち
に
科
学
と
い
う
形
で
。
届
か
な
い
空
の
星
に
向
か
っ
て
手
を
伸
ば
す
子
ど
も
の
よ
う
に
遠
く
、
深
い
と
こ
ろ
に
あ
る
何
か
を
つ
か
も
う
と
長
い
長
い
時
間
を
か
け
て
、
一
歩
一
歩
手
探
り
で
。
今
で
も
ま
だ
わ
か
ら
な
い
こ
と
ば
か
り
で
す
が
「
な
ぜ
」
に
向
き
合
い
、
し
っ
か
り
観
て
、
そ
し
て確
か
め
少
し
ず
つ
、
そ
れ
ら
の
謎
に
迫
っ
て
き
ま
し
た
。
宇
宙
の
始
ま
り
が
ど
う
な
っ
て
い
る
の
か
わ
た
し
た
ち
は
も
と
も
と
何
で
で
き
て
い
る
の
か
解
き
明
か
さ
れ
つ
つ
あ
る
の
で
す
。
心
躍
る
発
見
が
い
っ
ぱ
い
の
、
わく
わく
す
る
今
と
い
う
時
代
。
さ
あ
、
太古
か
ら
の
謎
を
解
く
、
科
学
の
旅
に
出
て
み
ま
し
ょ
う
！
古
代
か
ら
の
問
い
現 代 の よ う な 観 測 機 器 ど こ ろ か 望 遠 鏡 す ら な い 時 代 か ら 、 古 代 の 人 た ち は 真 剣 に 世 界 や そ の 起 源 に つ い て 考 えて い た 。 そ れ ら に 答 え る 最 初 の 試 み は 神 話 で あ っ た 。 例 え ば 、 北 欧 や イ ン ド 、 中 国 な ど 多 く の 地 域 で 、 世 界 は 巨 人 の 身 体 か ら で き た と 考 え ら れ て い た 。 世 界 は 卵 か ら 生 ま れ た と い う 話 も あ る 。 な ん と お も し ろ い 発 想 、 想 像 力 だ ろ う 。 さ ら に巨 人や 卵 が 生 ま れ る 前 、 大 元 に は 「 水 」 が あ っ た と か 「 混 沌 」 が あ っ た と か い う 考 え も 世 界 中 に 見 ら れ る 。 特 に イ ン ド や 、 そ の 影 響 を 受 け た 中 国 で は 、 混 沌 と し た 状 態 を 「 無 」 と 表 現 し 、「 無 」 か ら 「 有 」 が 生 ま れ た と 言 わ れ て い た 。 こ れ は 最 新 の 宇 宙 論 と そ っ く り 。 昔 の 人 た ち は 、 思 考 を 深 く 掘 り 下 げ る こ と に よ っ て そ う い っ た 結 論 に 達 し た 。一 方 、 現 代 の 私 た ち は 、 確 か な 証 拠 を 重 ね な が ら 宇 宙 の 姿 を 描 く 。 最 近では 、 宇 宙 は ど う 広 が っ て い る の か と い う 謎 解 き と 、 宇 宙 や 物 質 を 構 成 し て い る 一 番 小 さ な も の は な に か と い う 謎 解 き が 、「 宇 宙 の 始 ま り 」 で つ な が っ て い る と 分 か っ て き た 。 な ん と 、 神 話 の よ う な 不 可 思 議 な 世 界 を 解 こ う と し て い る の で あ る 。
神
話
の
想
像
力
と
科
学
の
挑
戦
村山 斉
（むらやま・ひとし） 1964 年生まれ。91年に東京大学大学院 理学 研究科物理学専攻博士課程修了。東北大学 助手などを経て、2000 年よりカリフォルニア大学 バークレー校教授。02年に西宮湯川記念賞受 賞。07年に東京大学・カブリ数物連携宇宙研究 機構（カブリIPMU）の初代機構長に就任した。 宇 宙 の 起 源 と 未 来 を 解 き 明 か そ う と し て い る 村 山 機 構 長 。 「 宇 宙 は ど う や っ て 始 ま っ た の だ ろ う 」「 終 わ り は あ る の だ ろ う か 」 「 ど う い う 仕 組 み で 動 い て い る の だ ろ う か 」「 宇 宙 に ど う し て 私 た ち が い る の だ ろ う か 」 素 朴 な 疑 問 を 解 く 鍵 は 、 こ の 世 で 一 番 大 き な 「 宇 宙 」 の 世 界 と 、 一 番 小 さ な 「 素 粒 子 」 の 世 界 が 握 っ て い る 。 謎 に 包 ま れた 暗 黒 物 質（ ダ ー ク マ タ ー ） に 迫 る 研 究 の 最 前 線 の 話 を 聞 い た 。 聞 き 手 ・ 日 本 科 学 未 来 館 科 学 コ ミ ュ ニ ケ ー タ ー 福 田 大 展村
山
斉
東
京
大
学
国
際
高
等
研
究
所
カ
ブ
リ
数
物
連
携
宇
宙
研
究
機
構
（
カ
ブ
リ
I
P
M
U）
機
構
長
イ
ン
タ
ビ
ュ
ー
謎
に
包
ま
れ
た
暗
黒
物
質
に
迫
る
ダークエネルギー 68％ 暗黒物質 27％ 普通の物質 5％ 光が暗黒物質の強い重力で曲げられる
地球
光が暗黒物質の強い重力で曲げられる この方向に 銀河があるように 見える この方向に 銀河があるように 見える重力レンズ効果の想像図
本当の銀河の位置 暗黒物質 だ け ど 見 え な い の で 「 暗 黒 物 質 」 と 呼 ん で い ま す。 学 校 で 「 す べ て の も の は 原 子 で で き て い る 」 と 習 い ま し た 。 し か し 、 宇 宙 に あ る 原 子 を 全 て 集 め て も 、 ５ ％ に し か な ら な い ん で す。 じ ゃ あ 残 り は 何 な の だ ろ う か 。 宇 宙 の ４ 分 の １ 以 上 の 27％ は 暗 黒 物 質 。 さ ら に 多 い の は 、 よ く 分 か ら な い ダ ー ク エ ネ ル ギ ー （ 暗 黒 エ ネ ル ギ ー ） で 、 68％ を 占 め て い る と 考 え ら れ て い ま す。 （ 図 １ ） 銀 河 の 写 真 （ 図 ２ ） を 見 て く だ さ い 。「 不 思 議 の 国 の ア リ ス 」 の チ ェ シ ャ 猫 の 顔 み た い に 見 え ま せ ん か 。 目 の よ う に 黄 色 く 光 る 銀 河 の 周 り に 、 引 き 伸 ば さ れ た よ う な 青 白 い 光 が 見 え ま す よ ね 。 学 校 で 「 光 は 真 空 中 で ま っ す ぐ 進 む 」 と 習 い ま し た が 、 実 は 違 い ま す。 光 も 重 力 で 落 ち る ん で す。 強 い 重 力 を 及 ぼ す 暗 黒 物 質 が あ る と 、 そ の 向 こ う 側 の 銀 河 か ら 来 る 光 は 、 ぐ い っ と ね じ 曲 げ ら れ ます。 虫 眼 鏡 の よう に 、 暗 黒 物 質 の 奥 に あ る も の が ゆ が ん で 見 え る の で 、 こ の 現 象 を 「 重 力 レ ン ズ 効 果 」 と 呼 ん で い ま す。 （ 図 ３ ） チ ェ シ ャ 猫 の 青 白 い 光 も 、 本 当 は き れ い な 銀 河 の は ず 。 で も 重 力 で 光 が 曲 が っ て い る の で 、 暗 黒 物 質 が あ る は ず だ と 分 か り ま し た 。 ─ 研 究 で 目 指 す 夢 は 何 で す か 。 宇 宙 の 起 源 と 運 命 を 明 ら か に し た い と 思 っ て い ま す。 大 き な 役 割 を 果 た し て い る の は 暗 黒 物 質 。 そ の 正 体 を 明 ら か に す る の が 、 大 き な 夢 の 一 つ で す。 暗 黒 物 質 は 、 宇 宙 が で き て １ ０ ０ 億 分 の １ 秒 ご ろ に で き ま し た 。 も し 正 体 が 分 かれ ば 、 宇 宙 の 始 ま り に 迫 る こ と が で き ま す。 「 私 た ち は ど こ か ら 来 た の だ ろ う か 」「 ど こ へ 行 く の だ ろ う か 」 宇 宙 は 、 人 類 の 素 朴 な 疑 問 に 迫 れ る 研 究 テ ー マ 。 ち ょ っ と で も 何 か 分 か れ ば 、 ワ ク ワ ク す る と 思 い ま す。 ─ 暗 黒 物 質 は ど の よ う に 見 つ か っ た の で す か 。 私 た ち が 住 む 太 陽 系 は 、 天 の 川 銀 河 の 端 っ こ に あ る こ と が 分 か っ て き ま し た 。 地 球 が 太 陽 の 周 り を 回 っ て い る よ う に 、 太 陽 系 も 銀 河 の 中 心 を 回 っ て い ま す。 な ん と 毎 秒 ２ ２ ０ ㎞ 。 そ ん な に 速 く 回 っ て い る の に 、 な ぜ 飛 ん で い っ て し ま わ な い の で し ょ う か 。 何 が つ な ぎ 止 め て く れ て い る の で し ょ う か 。 確 か に 、 星 の 重 力 も あ り ま す が 、 そ れ だ け で は 足 り ま せ ん 。 望 遠 鏡 で は 見 え な い 「 何 か 」 が 、 私 た ち を 引 っ 張 っ て い る の で す。 何 か 物 質 が あ る 。宇
宙
の
起
源
と
運
命
を
明
ら
か
に
し
た
い
見
え
な
い
何
か
が
つ
な
ぎ
止
め
て
い
る
光
を
曲
げ
る
重
力
レ
ン
ズ
で
分
か
る
図 3 図 2 図1 ©SDSS, 2008 The Authors. Journal compilation, 2008 RAS暗 黒 物 質 は 「 ほ と ん ど 反 応 し な い 重 い 粒 々 」 だ と 考 え ら れ て い ま す。 暗 黒 物 質 の お か げ で 原 子 が 集 め ら れ 、 星 が で き て 銀 河 が で き て 、 惑 星 が で き て 私 た ち が 生 ま れ ま し た 。 言 っ て み れ ば 、 暗 黒 物 質 は 私 た ち の 「 産 み の お 母 さ ん 」。 ま だ 正 体 不 明 な の で 「 生 き 別 れ の お 母 さ ん 」 で す け ど ね 。 会 っ て み た い で す よ ね 。 ─ 巨 大 な 宇 宙 の 世 界 「 宙 」 と 、 小 さ な 素 粒 子 の 世 界 「 粒 」 は 、 な ぜ つ な が っ て い る の で し ょ う か 。 人 間 は 昔 か ら 、 星 や 太 陽 の 謎 を 知 ろ う と す る 一 方 で 、 地 上 に あ る 物 質 の 根 源 に つ い て 考 え て き ま し た 。 こ の 世 で 一 番 大 き い の が 宇 宙 で 、 一 番 小 さ い の が 素 粒 子 。 宇 宙 の 大 き さ は １０の ２７乗 ｍ 。 素 粒 子 の 大 き さ は １０の マ イ ナ ス ３５乗 ｍ 。 ６２ケ タ も の 「 距 離 」 が あ り ま す 。 小 さ な 物 質 を 扱 う 素 粒 子 物 理 学 は 、 大 き な 宇 宙 を 相 手 に す る 天 文 学 と は 別 々 に 発 展 し て き ま し た 。 両 者 を 結 び つ け た の は「 ビ ッ グ バ ン 理 論 」。 １ ３ ８ 億 光 年 と い う 巨 大 な 宇 宙 が 、 昔 は 原 子 核 よ り も 小 さ か っ た ん で す 。 宇 宙 全 体 が ミ ク ロ の 世 界 。 小 さ な 粒 々 が 主 役 と な り 、 宇 宙 の 性 質 を 決 め て い ま し た 。 「 極 大 」 と 「 極 小 」 の 研 究 が 、 同 じ 答 え を 求 め て 進 め ら れ て い ま す。 加 速 器 は 、 望 遠 鏡 で は 見 ら れ な い 宇 宙 の 始 ま り を 観 察 す る 「 宇 宙 を 見 る 顕 微 鏡 」。 顕 微 鏡 で 宇 宙 を 探 り 、 望 遠 鏡 で 素 粒 子 を 探 る 時 代 な ん で す。 大 き な 望 遠 鏡 や 粒 と 粒 を ぶ つ け る 加 速 器 は 、 タ イ ム マ シ ン と い っ た と こ ろ で し ょ う か 。 ギ リ シ ャ 神 話 に 、 自 分 の 尾 を 飲 み 込 む 「 ウ ロ ボ ロ ス の 蛇 」（ 図 ４ ） が 登 場 し ま す。 こ れ は 、 古 代 ギ リ シ ャ の 「 世 界 の 完 全 性 」 を 表 す シ ン ボ ル 。「 宙 」 と 「 粒 」 の 関 係 だ と 、 宇 宙 と い う 頭 が 、 素 粒 子 と い う 尻 尾 を 飲 み 込 ん で い ま す。 宇 宙 の 果 て を 追 い か け る と 素 粒 子 が あ り 、 素 粒 子 を 追 い か け る と 宇 宙 が あ り ま す。 ─ 「 宙 」 を 見 て 「 粒 」 を 探 る 研 究 に は 、 ど の よ う な も の が あ り ま す か 。 ハ ワ イ ・ マ ウ ナ ケ ア 山 頂 に あ る 「 す ば る 望 遠 鏡 」 を 使 っ て 、 暗 黒 物 質 の 謎 を 探 る 「 す み れ 計 画 」 が あ り ま す 。 宇 宙 全 体 の 傾 向 を 知 る た め に は 、 宇 宙 の 「 国 勢 調 査 」 を し な け れ ば い け ま せ ん 。 そ の た め に は 、 一 度 に た く さ ん の 星が 見 え る 、 大 き な 望 遠 鏡 が 必 要 で す 。 す ば る 望 遠 鏡 は 、 ハ ッ ブ ル 望 遠 鏡 の １ ０ ０ ０ 倍 も の 広 い 視 野 が あ り ま す 。ハ ッ ブ ル 望 遠 鏡 で １ ０ ０ ０ 年 かか る 観 測 が 、 １ 年 で で き て し ま い ま す 。 計 画 で は 、 最 初 に 大 き な カ メ ラ （ 図 ５ ） を 使 っ て 、 何 億 個 も の 銀 河 を 調 べ ま す。 画 素 数 が ９ 億 も あ り ま す が 、 原 理 は デ ジ カ メ と ま っ たく 同 じ で す。 重 さ が ３ ト ン も あ る の で 、 と て も 持 ち 歩 け ま せ ん け ど ね 。 次 に 、 分 光 器 と い う 装 置 を 使 っ て 、 星か ら 届 く 光 を プ リ ズ ム で 分 け て 、 ど う い う 色 が 入 っ て い る か を 調 べ ま す。 ─ こ の 計 画 で 、 ど ん な こ と が 分 か る の で し ょ う か 。 宇 宙 の 遠 く の 銀 河 か ら 届 く 光 の 曲 が り 具 合 を 見 て 、 目 に は 見 え な い 暗 黒 物 質 が 、 ど こ に ど の く ら い あ る の か を 記 し た 「 地 図 」 を 作 り た い と 考 え て い ま す。 宇 宙 の 歴 史 を 作 っ て き た 主 役 は 暗 黒 物 質 。 遠 く の 昔 の 宇 宙 と 、 近 く の 最 近 の 宇 宙 の 暗 黒 物 質 を 比 べ る と 、 宇 宙 の進 化 が 明 ら か に な り ま す。 宇 宙 は 加 速 膨 張 を 続 け て 引 き 裂 か れ て し ま う の か 。 そ れ と も 、 ゆ っ く り 灯 火 が 消 え る よ う に 冷 た く な っ て い く の か 。 宇 宙 の 運 命 を 明 ら か に す る の も 一 つ の 目 的 で す。
暗
黒
物
質
の
地
図
を
作
る
「
す
み
れ
計
画
」
昔
の
宇
宙
は
ミ
ク
ロ
の
世
界
素
粒
子
が
主
役
だ
っ
た
顕
微
鏡
で
宇
宙
を
探
り
、
望
遠
鏡
で
素
粒
子
を
探
る
図 4 ©Wikipedia 図 5 国立天文台提供他 に も 、 宇 宙 か ら や っ て き た 暗 黒 物 質 を と ら え よ う と し て い る 「 X M A S S（エ ッ ク ス マ ス ）」 実 験 が あ り ま す。 暗 黒 物 質 は １ 秒 間 に １ ０ ０ 億 個 ほ ど 私 た ち の 体 を 通 り 抜 け て い ま す。 そ の 辺 に た く さ ん あ る な ら 、 つ か ま え ら れ そ う で す よ ね 。 液 体 の キ セ ノ ン と い う 物 質 を 、 地 下 の タ ン ク に 入 れ て お き ま す。 暗 黒 物 質 が と き ど き 、 キ セ ノ ン の 原 子 核 に ぶ つ か る と 、 原 子 核 が 跳 ね 飛 ば さ れ て 光 を 出 し ま す。 そ の 光 を つ か ま え て 、 原 子 核 を 小 突 い た 暗 黒 物 質 を と ら え る の で す。 微 か な 「 音 」 を 聞 く よ う な も の で す。 う る さ い 場 所 で は 聞 こ え な い の で 、 装 置 は 地 下 深 く の 山 の 中 に あ り ま す。 １ 年 間 じ っ と 待 ち 続 け て 、 ２ 、３ 回 当 た っ て く れ た ら 万 々 歳 。 ア メ リ カ の 研 究 グ ル ー プ は 、 １０年 間 で ２ 回 観 測 し た と い う 報 告 で し た 。 そ ん な 気 の 長 い 実 験 で す。 武 将 に 例 え る な ら ば 徳 川 家 康 。「 鳴 か ぬ な ら 、 鳴 く ま で 待と う ホ ト ト ギ ス 」。 ─ 「 粒 」 を 調 べ て 「 宙 」 を 探 る 実 験 に は 、 ど ん な も の が あ り ま す か 。 先 ほ ど 紹 介 し た よ う な 、 待 ち 続 け る 気 の 長 い 実 験 だ け で は あ り ま せ ん 。 暗 黒 物 質 を 地 上 で 作 っ て し ま お う と い う 実 験 も あ り ま す。 武 将 に 例 え る な ら ば 豊 臣 秀 吉 。「 鳴 か ぬ な ら 、 鳴 か せ て み よ う ホ ト ト ギ ス 」。 大 型 ハ ド ロ ン 衝 突 型 加 速 器 「 L H C」 で は 、 宇 宙 の 始 ま り に 起 き た 反 応 を 、 実 験 室 で 再 現 し よ う と し て い ま す 。 陽 子 を 光 の 速 さ ま で 加 速 さ せ て 、「 ガ シ ャ ン ！ 」 と ぶ つ け ま す 。 す る と 、 ビ ッ グ バ ン で で き た よ う な も の が 、 作 れ る か も し れ ま せ ん 。 暗 黒 物 質 が 実 験 室 で 作 れ る か も し れ な い の で す 。 ─ 次 世 代 の 加 速 器 ・ 国 際 リ ニ ア コ ラ イ ダ ー「 I L C」に 期 待 す る こ と は 。 L H Cで 衝 突 さ せ る 陽 子 に は 、 素 粒 子 だ け で な く 、 粒 を く っ つ け る「 グ ル ー オ ン 」 も 含 ま れ て い ま す。 例 え る な ら 小 豆 の 粒 と あ ん こ が 混 ざ っ た 大 福 餅 。 ぶ つ け る と 粒 だ け で な く 、 あ ん こ も 一 緒 に 飛 び 散 っ て 反 応 が よ く 分 か り ま せ ん 。一 方 の I L Cで は 、 電 子 と 陽 電 子 と い う 素 粒 子 同 士 を 衝 突 さ せ ま す。 余 分 な も の が な い の で 反 応 が は っ き り 見 え ま す。 I L Cで ヒ ッ グ ス 粒 子 を 詳 し く 調 べ る と 、 た く さ ん の 仲 間 の 粒 が 見 つ か る 可 能 性 が あ り ま す。 そ の 中 に 暗 黒 物 質 の 正 体 と な る 粒 が あ る か も し れ ま せ ん 。 最 初 に 見 つ か っ た ヒ ッ グ ス 粒 子 が 、 新 し い 世 界 へ つ な が る 「 窓 」 に な っ て い る か も し れ ま せ ん 。 ─ 科 学 を 好 き に な っ た き っ か け を 教 え て 下 さ い 。 夏 の 暑 い 日 に 、 親 戚 の 家 で コ ー ラ を 飲 ん で い ま し た 。 口 を 近 づ け る と 、 ス ト ロ ー が 浮 き 上 が っ て く る ん で す。 よ く 見 る と 、 ス ト ロ ー の 周 り に 小 さ な 泡 が 付 い て い ま し た 。 泡 を 取 る と 沈 み ま し た 。 ス ト ロ ー を 浮 か せ る 「 敵 」 の 正 体 は 、 泡 だ っ た の で す。 不 思 議 に 思 う こ と を う や む や に し な い で く だ さ い 。 「 何 で だ ろ う ？ 」 と 自分 で 考 え る 好 奇 心 を 大 切 に し て ほ し い で す。 先 ほ ど 話 し た 「 す み れ 計 画 」 の 観 測 デ ー タ は 、 高 校 生 の 皆 さ ん が 大 学 院 に 入 る こ ろ に 出 そ ろ う 予 定 で す。 宇 宙 の こ と が 少 し ず つ 分 か っ て き ま し た が 、 分 か ら な い こ と も た く さ ん あ り ま す。 宇 宙 の 謎 を 解 き 明 か す に は 、 た く さ ん の 人 の 力 が 必 要 で す。 皆 さ ん も ぜ ひ 、 こ の 戦 い に 加 わ っ て く だ さ い 。 一 緒 に 考 え ま し ょ う 。
不
思
議
に
思
っ
た
こ
と
を
う
や
む
や
に
し
な
い
で
皆
さ
ん
も
戦
い
に
加
わ
り
一
緒
に
考
え
よ
う
「
鳴
く
ま
で
待
と
う
ホ
ト
ト
ギ
ス
」
宇
宙
か
ら
の
「
音
」
を
聞
く
「
鳴
か
せ
て
み
よ
う
ホ
ト
ト
ギ
ス
」
実
験
室
で
作
り
だ
す
ヒ
ッ
グ
ス
粒
子
は
新
し
い
世
界
を
開
く
「
窓
」
木
火
土
金
水
古 代 エ ジ プ ト や バ ビ ロ ニ ア の 祭 司 ・ 天 文 学 者 た ち は 「 季 節 の 変 化 は 太 陽 と 星 の 位 置 に 関 係 す る 」 と 気 づ い て い た 。 例 え ば 、 シ リ ウ ス （ お お い ぬ 座 の １ 等 星 ） が 、 夜 明 け 前 に 東 の 空 か ら 上 っ て く る と、 ナ イ ル 川 が そ ろ そ ろ 氾 濫 す る こ と を 人 々 は 知 っ て い た 。 い つ 日 食 が 起 こ る か を 予 測 す る 方 法 も 見 つ け て い た 。 季 節 や 生 活 に 必 要 な 情 報 を 教 え て く れ る 星 が あ る 一 方 、 北 極 星 や 南 十 字 星 の よ う に 方 角 を 教 え て く れ る 星 が あ る こ と も わ か っ て い た 。 地 球 が 球 の よ う な 形 を し て い る と 最 初 に 考 え た の は ピ タ ゴ ラ ス で 、 紀 元 前 ５ ４ ０ 年 の こ と 。 そ れ ま で は 、 地 球 は 平 ら だ と 信 じ ら れ て い た 。 ガ リ レ オ ・ ガ リ レ イ は 、 自 分 で 作 っ た 天 体 望 遠 鏡 を 使 っ て 、 木 星 に あ る ４ つ の 衛 星 が 規 則 正 し く 周 回 し て い る の を 観 測 し た 。 金 星 の 満ち 欠 け を 観 測 し て 、 地 球 も 宇 宙 の 中 心 で は な く 、 運 動 し て い る と 確 信 し た 。 彼 の 作 っ た 天 体 望 遠 鏡 は 、 天 文 学 の 発 展 に 大 い に 貢 献 す る こ と に な る 。 紀 元 前 ４ 世 紀 か ら ５ 世 紀 頃 、 ギ リ シ ャ の デ モ ク リ ト ス は 、 万 物 は １ 種 類 の 原 子 （ ア ト ム ） から で き て い る と 考 え た 。 原 子 は 、 そ れ 以 上 分 割 で き な い 小 さ な 粒 。 原 子 と 原 子 の あ い だ に は 空 間 が あ る と 考 え た 。 そ の 後 、 万 物 は ４ つ の 元 素 、 す な わ ち 土 、 風 、 水 、 火 か ら で き て い る と い う ア リ ス ト テ レ ス の 考 え が 普 及 し た 。 そ れ ら は 空 間 を 隙 間 な く 埋 め 尽 く し て い る と さ れ た 。 ア リ ス ト テ レ ス の 思想 の 影 響 力 は 大 き く 、 万 物 は 真 空 を 嫌 う と い う 考 え 方 も 広 ま っ た た め 、 原 子 論 は 注 目 さ れ な く な っ た 。 中 国 で は 、 万 物 は 木 ・ 火 ・ 土 ・ 金 ・ 水 の ５ 種 類 の 元 素 か ら で き て い て 、 そ れ ぞ れ が お 互 い に 姿 を 変 え な が ら 循 環 し て い る と い う 五 行 説 が 信 じ ら れ て い た 。 例 え ば 、 水 を 吸 っ て 木 が 育 ち 、 木 は 燃 え て 土 に 還 る と さ れ た 。 紀 元 前 ３ ０ ０ 年 頃 、 ギ リ シ ャ の ア リ ス タ ル コ ス は 、 宇 宙 の 中 心 は 地 球 で は な く 太 陽 だ と 説 い て い た 。 太 陽 の 仲 間 の 「 恒 星 」 の リ ス ト を 初 め て 作 っ た の は 、 古 代 ギ リ シ ャ の 天 文 学 者 ヒ ッ パ ル コ ス 。 そ の リ ス ト に 挙 げ ら れ た １ ０ ０ ０ 個 を 越 す 恒 星 は 、 最 も 明 る い １ 等 級 か ら 最 も 暗 い ６ 等 級 ま で 分 類 さ れ 、 今 で も 星 図 な ど で 使 わ れ て い る 。 1天
文
学
は
い
つ
始
ま
っ
た
？
2大
昔
か
ら
あ
っ
た
地
動
説
！
1物
質
は
何
か
ら
で
き
て
い
る
？
3初
め
て
天
体
望
遠
鏡
で
観
測
宇
宙
と
物
質
の
謎
に
挑
ん
で
き
た
歴
史
宙
そ らを
見
つ
め
て
粒
つ ぶを
見
つ
め
て
紀元前
紀元後
17世紀
東
洋
の
考
え
6等 星 5等 星 4等 星 3等 星 2等 星 1等 星 港から遠ざかる船の帆が見えなくなるので、地球は丸いと考えられたヨ ー ロ ッ パ で は 、 金 で は な い も の か ら 金 を 作 ろ う と す る 錬 金 術 が は や っ た 。 し か し 、 な か な か う ま く い か な か っ た 。 17世 紀 後 半 、 イ ギ リ ス の ボ イ ル は 他 の 物 質 か ら は 作 れ な い 物 質 が あ る こ と を 突 き 止 め 、 そ れ を 元 素 と 名 付 け た 。 例 え ば 、 水 は 元 素 で は な く 、 水 素 と 酸 素 と い う 二 種 類 の 元 素 か ら 構 成 さ れ て い る 。 そ れ ぞ れ の 元 素 は そ れ ぞ れの 「 原 子 」 か らで き て お り 、 こ れ は デ モ ク リ ト ス が 考 え た 原 子 と は 全 く 異 な る も の だ っ た 。 金 は 元 素 で 、 金 原 子 か らで き て い る た め 、 他 の も の か ら 金 は 作 れ な い 。 こ う し て 錬 金 術 は 廃 れ た 。 ニ ュ ー ト ン は 、 固 体 の 原 子 同 士 は 、 万 有 引 力 の よ う な 力 で 固 く 結 び つ い て い て 離 れ な い と 考 え た 。 ま た 、 光 も 粒 子 で で き て い る と 予 測 し て い た 。 こ の 考 え は 20世 紀 初 め に 復 活 す る 。 「 万 有 引 力 の 法 則 」 の 提 唱 者 ニ ュ ー ト ン は 、 す べ て の も の に は 引 力 が 働 く と 考 え た 。 地 球 が リ ン ゴ を 引 く 力 も リ ン ゴ が 地 球 を 引 く 力 も 等 し い 。 地 球 の 周 り を 回 る 月 も 、 惑 星 が 太 陽 の 周 り を 回 転 す る の も 、 万 有 引 力 が 働 い て い る た め だ と 説 明 し た 。 ド イ ツ の フ ラ ウ ン ホ ー フ ァ ー は 、 ガ ラ ス 製 造 工 場 の 監 督 を し て い た と き に 、 水 素 や ヘ リ ウ ム ガ ス か ら 出 た 光 は プ リ ズ ム を 通 る と 虹 色 に 分 か れ る （ ス ペ ク ト ル と 呼 ぶ ） が 、 出 て き た 光 の 中 に 黒 い 線 （ 吸 収 線 ） が あ る こ と を 発 見 し た 。 吸 収 線 が 現 れ る 波 長 は 気 体 ご と に 違 っ て い る た め に 、 そ の 光 が ど の よ う な 気 体 か ら 出 て き た 光 か を 特 定 す る の に 役 立 つ 。 そ の 後 、 太 陽 光 の 虹 色 の 中 に も 同 じ 波 長 の 所 に 吸 収 線 を 見 つ け た 。 こ れ に よ り 、 太 陽 は 水 素 や ヘ リ ウ ム で で き て い る こ と が わ か っ た 。 オ ー ス ト リ ア の 物 理 学 者 ド ッ プ ラ ー は 、 運 動 す る 音 源 か ら 伝 わ る 音 は 、 聞 く 位 置 に よ り 音 の 高 さ に 違 い が 現 れ る と い う 現 象 を 発 見 し た 。 こ れ は 「 ド ッ プ ラ ー 効 果 」 と呼 ば れ る も の で、 救 急 車 が サ イ レ ン を 鳴 ら し な が ら 走 っ て い る とき 、 近 づ い て く る 場 合 に は 音 が 高 く 聞 こ え 、 遠 ざ か る 場 合 に は 音 が 低 く 聞 こ え る こ と で 知 ら れる 。 の ち に 望 遠 鏡 を 使 っ て 星 の 光 を ス ペ ク ト ル で 観 測 で き る よ う に な る と 、 こ れ は 膨 張 宇 宙 論 を 証 明 す る 助け に な っ た 。 イ ギ リ ス の ト ム ソ ン は 、 マ イ ナ ス 電 荷 ( マ イ ナ ス の 電 気 ) を 持 つ 「 電 子 」 を 発 見 。 原 子 は 電 子 と 他 の 何 か に 分 け ら れ る と 考 え た 。 そ し て 、 プ ラス の 部 分 の 中 に マ イ ナ ス の 電 子 が 散 ら ば っ て い る モ デ ル を 提 案 。 日 本 で は 、 レ ー ズ ン が パ ン の な か に あ る イ メ ー ジ か ら 「 ぶ ど う パ ン モ デ ル」 と 呼 ば れ た 。 一 方 、 長 岡 半 太 郎 は 、 プ ラ ス 部 分 の 周 り を マ イ ナ ス の 電 子 が 回 る 「 土 星 モ デ ル」 を 提 案 し た 。 19世 紀 初 頭 、 イ ギ リ ス の ラ ザ フ ォ ー ド は 、 金 箔 に ア ル フ ァ 線 （ 放 射 線 の 一 種 ） を 当 て る 実 験 を 繰 り 返 し て い た 。 アル フ ァ 線 の ほ と ん ど は す り 抜 け る の に 、 ご く ま れ に 跳 ね 返 っ て く る 。 こ の こ と か ら 、 小 さ い 原 子 核 が 中 心 に あ っ て 、 そ の 周 り に 電 子 が あ る 「 土 星 モ デ ル」 が 正 し い こ と が わ か っ た 。 ラ ザ フ ォ ー ド は 1 9 1 8年 に 、 原 子 核 を 構 成 す る 「 陽 子 」 も 発 見 し た 。 原 子 は 想 像 以 上 に ス カ ス カ だ 。 原 子 核 と 電 子 の あ い だ に は と て も 大 き な 隙 間 が 空 い て い る 。 例 え ば 、 金 の 原 子 核 と 電 子 の 間 に は 約 ２ 万 個 の 原 子 核 が 入 る 。 2
原
子
論
再
び
3原
子
は
さ
ら
に
分
け
ら
れ
る
4原
子
の
姿
、
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の
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4リ
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遠
鏡
で
な
い
方
法
で
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の
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に
黒
い
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18 世紀
19 世紀
動
く
も
の
は
音
の
高
さ
が
変
わ
る
ニュートン1900 年代
1930 年代
ア メ リ カ の ハ ッブ ル に よ っ て 、 宇 宙 は 膨 張 し て い る こ と が 実 験 的 に 証 明 さ れ た 。 銀 河 か ら の 光 を プ リ ズ ム に 通 し て 虹 色 に 分 け る と 、 黒 い 吸 収 線 が 赤 色 側 に ず れ て い た 。 音 の ド ッ プ ラ ー 効 果 を 光 に 応 用 す る と 、 赤 い 光 は 波 長 が 長 い た め 、 吸 収 線 が 赤 い 方 向 に ず れ て い る と い う こ と は 、 光 源 が 遠 ざ か っ て い る こ と を 示 し て い る 。 遠 く の 銀 河 ほ ど 速 く 遠 ざ か っ て い る こ と か ら 、 宇 宙 は 膨 張 し て い る と 言 え た 。 そ の 観 測 結 果 を 聞 い た ア イ ン シ ュ タ イ ン は 、「 宇 宙 項 」 は 生 涯 で 最 大 の 過 ち と 後 悔 し た 。 １ ９ ９ ０ 年 、 宇 宙 空 間 か ら 天 体 観 測 で き る 初 の 望 遠 鏡 に は ハ ッ ブ ル の 名 前 が つ け ら れた 。 ロ シ ア の ガ モ フ は 、 宇 宙 の 中 で の 水 素 や ヘ リ ウ ム の 割 合 が と て も 高 い こ と に 気 づ い た 。 そ こ で 宇 宙 は 小 さ な 一 点 か ら 急 激 に 広 が る 大 爆 発 で 始 ま り 、 素 粒 子 の ス ー プ か ら 原 子 核 が つ く ら れ、 ご く 初 期 の う ち に 水 素 や ヘ リ ウ ム が で き た と 考 え た 。 そ の 後 、 より 大 き な 原 子 、 物 質 の 塊 が つ く ら れ、 星や 銀 河 が 形 成 さ れ る よ う に な っ た と い う ビ ッ グ バ ン 理 論 を 出 し た 。 後 に 、 ア メ リ カ の ベ ル 研 究 所 の ペ ン ジ ア ス と ウ イ ル ソ ン は 、 宇 宙 の あ らゆ る 方 向 か ら や っ て く る 弱 い 電 波 の 存 在 に 気 づ い た 。 こ れ は 「 宇 宙 背 景 放 射 」 と呼 ば れ、 ビ ッ グ バ ン 理 論 の 証 明 に つ な が っ た 。 ア イ ン シ ュ タ イ ン が １ ９ ０ ５ 年 に も う 一 つ 発 表 し た の は 、 光 は 粒 で あ る と い う 光 量 子 説 。 こ れ は 金 属 表 面 か ら 電 子 が 飛 び 出 て く る 現 象 を 説 明 す る た め の も の だ っ た 。 光 は 、 金 属 の 原 子 核 の 周 り を 回 っ て い る 電 子 を 、 ビ リ ヤ ー ド の 球 の よ う に た た き 出 す 。 こ れ は 実 験 で 証 明 さ れ 、 ア イ ン シ ュ タ イ ン は １ ９ ２ １ 年 、 ノ ー ベ ル 賞 を 受 け た 。 光 子 な ど の と て も 小 さ な 粒 子 は 、 波 の 性 質 も 持 つ 。 ド イ ツ の プ ラ ン ク 、 デ ン マ ー ク の ボ ー ア 、 フ ラ ン ス の ド ・ ブ ロ イ は 、 こ の 考 え か ら 量 子 論 を 確 立 し た 。 原 子 核 の 周 り を 回 る 電 子 も 波 の 性 質 を 持 っ て い る た め 、 自 由 な 軌 道 を 取 る こ と は で き ず 、 波 長 の 整 数 倍 の 長 さ の 軌 道 で 安 定 す る 。 そ の た め 、 マ イ ナ ス の 電 荷 を 持 つ 電 子 で も 、 プ ラ ス の 電 荷 を 持 つ 原 子 核 に く っ つ く こ と は な い 。 陽 子 は プ ラ ス の 電 荷 を 持 っ て お り 、 同 じ プ ラ ス の 陽 子 と 反 発 し 合 う 。 し か し 、 原 子 核 と し て ま と ま っ て い ら れ る の は な ぜ か 。 １ ９３ ４ 年 、 湯 川 秀 樹 が 陽 子 と 中 性 子 を 互 い に 結 び つ け る 「 中 間 子 」 と い う 粒 子 が あ る と 予 測 し た 。 そ の 後 、 発 見 さ れ た 粒 子 が 中 間 子 と 期 待 さ れ た こ と は あ っ た が 、 異 な る も の だ っ た 。 中 間 子 が 見 つ か っ た の は １ ９ ４ ７ 年 の こ と だ っ た 。 イ ギ リ ス の チ ャ ド ウ ィ ッ ク は 、 あ る 原 子 に 別 の 原 子 核 を ぶ つ け る 実 験 を 繰 り 返 し て い た 。 そ の 結 果 、 陽 子 と 質 量 が 同 じ で 、 電 荷 を 持 た な い 粒 子 「 中 性 子 」 を 発 見 し た 。 こ う し て 、 原 子 核 は 陽 子 と 中 性 子 か ら で き て い る と 分 か っ た 。 ド イ ツ 生 ま れ の ア イ ン シ ュ タ イ ン は 、 １ ９ ０ ５年 に 二 つ の 偉 大 な 発 表 を し た 。 そ の 一 つ が 特 殊 相 対 性 理 論 。 そ れ に よ る と 、 真 空 で は 光 の 速 度 は 一 定 で 、 光 速 に 近 い ス ピ ー ド で 移 動 す る と 時 間 が 遅 れ て 質 量 が 大 き く な る 。 ま た 、 物 体 の 質 量 が 減 少 す る と エ ネ ル ギ ー が 放 出 さ れ 、 そ の 量 は 光 の 速 度 の ２ 乗 に 比 例 す る こ と （ E= m c 2 ）を 示し た 。 １ ９ １ ６ 年 に は 一 般 相 対 性 理 論 を 発 表 。 重 力 が 働 く と い う こ と は 、 も の の 質 量 が 周 り の 空 間 を 変 形 さ せ て い る こ と な の だ と 考 え た 。 人 が 座 る と ソ フ ァ が 凹 み 、 近 く に あ る テ ニ ス ボ ー ル が 凹 み に 向 か っ て 動 く よ う な も の だ 。 ロ シ ア の 数 学 者 ・ 物 理 学 者 の フ リ ー ド マ ン は 、一 般相 対 性 理 論 を も と に 、 空 間 が 伸 び た り 縮 ん だ り す る こ と を 示 し 、 宇 宙 は 膨 張 し て い る と 主 張 し た 。 そ れ に 対し ア イ ン シ ュ タ イ ン は 、 宇 宙 は 変 化 し な い と 信 じ て いた 。 理 論 的 に は 確 か に 膨 張 し て い る こ と に な っ て し ま う た め 、 自 分 の 理 論 に 「 宇 宙 項 」 を 加 え て 、 宇 宙 の 大 き さ が 変 化 し な い よ う に し た 。 6光
と
重
力
の
不
思
議
な
性
質
8宇
宙
は
膨
張
し
て
い
た
！
9宇
宙
は
大
爆
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＝
ビ
ッ
グ
バ
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た
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7宇 宙 は 膨 張 ？ そ れ と も 不 変 ？ 5光
も
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っ
た
！
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は
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中
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子核
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つ
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る
の
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アインシュタイン 陽子 中性子 原子 電子 陽子と中性子を結びつける粒 子として「中間子」の存在が予 測された。 原子核1970 年代
1990 年代
現代
ア メ リ カ の ゲ ラ ー は １ ９ ８ ６ 年 、 遠 い 銀 河 ほ ど 速 く 遠 ざ か る と い う 性 質 を 利 用 し 、 精 密 な 銀 河 の 3次 元 地 図 を 作 っ た 。 そ の 結 果 、 銀 河 の 分 布 は 均 一 で は な く 、 ム ラ が あ る と 分 か っ た 。 ス イ ス チ ー ズ の よ う に 、 銀 河 が 密 集 し て い る チ ー ズ 部 分 と 、 ほ と ん ど 銀 河 が 存 在 し な い 穴 部 分 が あ る のだ 。 そ の 後 、 1 9 8 9年 に 打 ち 上 げ ら れ た C O B E（ コ ー ビ ー ） 衛 星 、 2 0 0 1年 に 打 ち 上 げ ら れ た W M A P（ ダ ブ リ ュ マ ッ プ ） 衛 星 に よ る 詳 細 な 観 測 に よ り 、 銀 河 の 分 布 の ム ラ の 構 造 も 明 ら か に な っ た 。 原 子 核 を つ く っ て い る 陽 子 や 中 性 子 は 本 当 に 「 こ れ 以 上 分 け ら れ な い 」 粒 子 な の か 。 そ れ を 突 き 止 め る た め 、 ア メ リ カ の ゲ ル マ ン と ツ ワ イ ク が 、 そ れ ぞ れ 独 自 に ク ォ ー ク と 呼 ば れ る 、 よ り 基 本 と な る 粒 子 を 考 え た 。 そ れ に よ っ て 加 速 器 実 験 で 得 ら れ た 粒 子 を 説 明 で き る こ と が 分 か っ た 。 経 済 学 で 、 も の の 価 値 全 体 が 継 続 的 に 上 昇 す る こ と を 「 イ ン フ レ ー シ ョ ン 」 と 言 う 。 佐 藤 勝 彦 と グ ー ス は 、 宇 宙 は 生 ま れ た 直 後 に 急 激 に 膨 張 し た と 考 え 、 そ れ を イ ン フ レ ー シ ョ ン 理 論 と 名 付 け た 。 こ れ に よ り 、 現 在 の 宇 宙 の 様 子 が よ り よ く 説 明 で き る よ う に な っ た 。 宇 宙 か ら や っ て く る 宇 宙 線 を 待 ち 続 け 、 そ の 中 か ら 新 し い 粒 子 を 探 す の が 、 新 粒 子 発 見 の た め の 主 流 と な る 方 法 だ っ た 。 こ の 方 法 で １ ９ ３ ２ 年 、 電 子 と 同 じ 質 量 を 持 ち 、 電 荷 が プ ラ ス の 「 陽 電 子 」 が 発 見 さ れ た 。 一 方 、 １ ９ ２ ０ 年 代 か ら 、 粒 子 を 光 の 速 度 近 く ま で 加 速 し 衝 突 さ せ る 「 加 速 器 」 の 開 発 が 進 め ら れ た 。 人 為 的 に 未 知 の 粒 子 を つ く る 技 術 が 発 達 し た 。 加 速 器 実 験 で ク ォ ー ク が ３ 種 類 見 つ か っ て い た １ ９ ７ ３ 年 の 当 時 、 小 林 誠 ・ 益 川 敏 英 は 、 ク ォ ー ク は ６ 種 類 あ る と 予 測 し て い た 。 ５ 種 類 目 の あ と、 ６ 種 類 目 の ト ッ プ ク ォ ー ク が 見 つ か る の に 時 間 が か か っ た 。 加 速 器 の 技 術 が 発 達 し て 、 大 き な エ ネ ル ギ ー で 粒 子 同 士 を 衝 突 さ せ る こ と が で き る よ う に な り 、 他 の ク ォ ー ク に 比 べ て 重 い ト ッ プ ク ォ ー ク が よ う や く 見 つ か っ た 。 そ の 後 も 、 加 速 器 で さ ら に 高 エ ネ ルギ ー の 状 態 を つ く る こ と で、 そ れ ま で 謎 だ っ た 素 粒 子 が 見 つ か っ て い る 。 宙 を 見 つ め て い た 人 た ち は 、 よ り 遠 く を 覗 く こ と で 宇 宙 の 歴 史 を 遡 り 、 そ の 始 ま り に 素 粒 子 の 姿 を 見 る と こ ろ ま で 到 達 し た 。 粒 を 見 つ め て い た 人 た ち は 、 素 粒子 を 追 い 求 め る う ち に 、 加 速 器 の 中 に 初 期 宇 宙 を つ く る と こ ろ ま で 来 て い る 。 二 つ の ア プ ロ ー チ は 「 宇 宙 の 始 ま り 」 で つ い に つ な が っ た 。 先 人 た ち が 解 き 明 か そ う と し て き た 「 な ぜ ？ 」 に 、 い ま 共 に 迫 ろ う と し て い る 。 10銀
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トップクォークが発見されたフェルミ研究所の加速器の検出器 ゲラーによる 銀河の三次元地図 COBE 衛星による観測結果©NASA/WMAP Science Team
ハッブル宇宙望遠鏡 (1990 年～)
現在
38 万年後 100 億分の 1 秒後 インフレーション望遠鏡での
観測限界
加速器での
実験領域
10 億分の 1 秒後 10 万分の 1 秒後 3 分後 10 億年後 138 億年後 T : 1032 1028 1015 1012 10 9 3000 15 2.7 (K) E : 1019 1015 102 1 0-1 10 -4 3 ×10 -10 10 -12 2.3 ×10 -13 (GeV) 宇宙はインフレーションという膨張を起こ した。そこでは物質のもととなる素粒子が 大量に生まれ、超高速で飛び交う超高温、 超高密度の火の玉（ビッグバン）だった。 T は、その時の宇宙の平均温度（絶対温度 K）。 Eは、その時の宇宙で１個の素粒子が持つエネルギー。 加速器でつくる場合、1 個の素粒子のエネルギーレベル。 単位 eV（電子ボルト、G（ギガ）＝10 億） 陽子や電子がばらばらに飛び交う高温のプラズマ状態のなかで、光（光子）は電子に 邪魔されて直進できなかった。宇宙の温度が 3000 K ぐらいに下がると、電子は原子核 と結合し原子となり、光は邪魔されずに直進するようになった。この宇宙の見通しが良 くなったときを「宇宙の晴れ上がり」と呼ぶ。 このときの光（光は電磁波でもある）が、宇宙のあらゆる方向から飛んでくる電波として、 1965 年に初めて観測された「宇宙背景放射」だ。宇宙の膨張によって現在では温度が 3K（マイナス 270℃）まで下がったこの宇宙での、ビッグバンの残り火とも言われる。 素粒子ばかりだった。 素粒子のなかのクォークが集まり、陽子、中性子ができた。 陽子や中性子が集まって、 元素の中で最も軽い水素やヘリウムの原子核ができた。 最初の星が誕生 ダークエイジ 太陽系、地球の誕生 ※粒子の記号の上にバー（－）のあるのは、その反粒子。 宇宙の晴れ上がりビ
ッ
グ
バ
ン
ビ
ッ
グ
バ
ン
？
？
q
クォークg
グルーオンe
電子μ
ミューオンτ
タウオンν
ニュートリノW, Z
ボソン 銀河 星 原子 光子 中間子 陽子・中性子 原子核タ
イ
ム
マ
シ
ン
で
宇
宙
の
起
源
に
迫
る
望
遠
鏡
と
加
速
器
と
い
う
宇 宙 の 起 源 の 謎 に 迫 る た め の 方 法 は ２ 通 り あ る 。 望 遠 鏡 に よ る 観 測 と 加 速 器 に よ る 実 験 で あ る 。 ま ず 、 望 遠 鏡 で 、 よ り 遠 く を 見 る こ と に よ っ て 、 よ り昔 の 宇 宙 を 知 る こ と が で き る 。 例 え ば 、 太 陽 か ら 地 球 に 光 が 届 く の に は ８ 分 か か る か ら 、 私 た ち が 見 て い る の は ８ 分 前 の 太 陽 の 姿 と 言 え る 。ア ン ド ロ メ ダ 銀 河 は 2 5 0万 年 前 の 姿 だ 。 宇 宙 の 誕 生 は 今 か ら お よ そ 1 3 8億 年 前 だ と 分 か っ て き た が 、 光 学 望 遠 鏡 で は 誕 生 か ら お よ そ 10億 年 後（ 1 2 9億 年 前 ）ま で 、電 波 を と ら え る 望 遠 鏡 で は 誕 生 か ら 38万 年 経 っ た こ ろ ま で 観 測 す る よ う に な っ た 。 し か し 、 さ ら に 前 の 世 界 は 望 遠 鏡 で 見 え な い 。 そ れ は 、 生 ま れ た ば か り の 宇 宙 は あ ま り に 小 さ く 熱 く 、 濃 い 素 粒 子 の ス ー プ の よ う な 状 態 だ っ た か ら だ 。 そ れ よ り 前 を 見 通 す た め に は 加 速 器 が 活 躍 す る 。 加 速 器 は 素 粒 子 が 水 蒸 気 の よ う に ば ら ば ら に な っ て 激 し く 飛 ん で い た こ ろ の 状 態 を 再 現 す る 装 置 だ 。 よ り 大 き な 加 速 器 を 使 う と 、 よ り 初 期 に あ っ た 大 き な エ ネ ル ギ ー を 持 つ 素 粒 子 の 振 る 舞 い を 見 る こ と が で き る 。 今 で は 、 加 速 器 の お か げ で 宇 宙 が 生 ま れ て か ら ３ 分 し か 経 っ て い な い 時 の 姿 が か な り よ く 分 か っ て き た 。 こ れ か ら は 、 宇 宙 が 始 ま っ て か ら 10億 分 の １ 秒 し か経 っ て い な い 時 点 ま で 、 さ ら に は も っ と 前 に さ か の ぼ れ る か も し れ な い 。 そ の こ ろ の 宇 宙 を 見 る こ と が で き れ ば 、 ヒ ッ グ ス 粒 子 や 暗 黒 物 質 に つ い て も 分 か っ て く る だ ろ う 。 そ れ ら が な け れ ば 原 子 は で き ず 、 星 も 銀 河 も 、 そ し て 私 た ち も 生 ま れ な か っ た 。 望 遠 鏡 も 加 速 器 も 、 私 た ち の 起 源 を 知 る た め の 「タ イ ム マ シ ン 」 な の だ 。現在
38 万年後 100 億分の 1 秒後 インフレーション望遠鏡での
観測限界
加速器での
実験領域
10 億分の 1 秒後 10 万分の 1 秒後 3 分後 10 億年後 138 億年後 T : 1032 1028 1015 1012 10 9 3000 15 2.7 (K) E : 1019 1015 102 1 0-1 10 -4 3 ×10 -10 10 -12 2.3 ×10 -13 (GeV) 宇宙はインフレーションという膨張を起こ した。そこでは物質のもととなる素粒子が 大量に生まれ、超高速で飛び交う超高温、 超高密度の火の玉（ビッグバン）だった。 T は、その時の宇宙の平均温度（絶対温度 K）。 Eは、その時の宇宙で１個の素粒子が持つエネルギー。 加速器でつくる場合、1 個の素粒子のエネルギーレベル。 単位 eV（電子ボルト、G（ギガ）＝10 億） 陽子や電子がばらばらに飛び交う高温のプラズマ状態のなかで、光（光子）は電子に 邪魔されて直進できなかった。宇宙の温度が 3000 K ぐらいに下がると、電子は原子核 と結合し原子となり、光は邪魔されずに直進するようになった。この宇宙の見通しが良 くなったときを「宇宙の晴れ上がり」と呼ぶ。 このときの光（光は電磁波でもある）が、宇宙のあらゆる方向から飛んでくる電波として、 1965 年に初めて観測された「宇宙背景放射」だ。宇宙の膨張によって現在では温度が 3K（マイナス 270℃）まで下がったこの宇宙での、ビッグバンの残り火とも言われる。 素粒子ばかりだった。 素粒子のなかのクォークが集まり、陽子、中性子ができた。 陽子や中性子が集まって、 元素の中で最も軽い水素やヘリウムの原子核ができた。 最初の星が誕生 ダークエイジ 太陽系、地球の誕生 ※粒子の記号の上にバー（－）のあるのは、その反粒子。 宇宙の晴れ上がりビ
ッ
グ
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ボソン 銀河 星 原子 光子 中間子 陽子・中性子 原子核 ローレンス・バークレー国立研究所の資料を元に作成した宇宙の始まりや物質の究極の姿を知るために役立つ 用語解説のページです。 大ニュースが相次ぐ素粒子物理学の世界。 これらのキーワードを知ることで、 あなたの宇宙や世界の見方が変わるかもしれない。 科学コミュニケーターが分かりやすくお伝えします。 私 た ち の 身 体 や 身 の回 り の モ ノ は 、 小 さ な 小 さ な 粒 が た く さ ん 集 ま っ て で き て い る 。 そ し て こ れ 以 上 分 け ら れ な い 、 基 本 と な る 一 番 小 さ い 粒 を 素 粒 子 と い う 。 身 近 な 物 質 、 例 え ば 水 は 、 水 分 子 の 集 ま り 。 分 子 は さ ら に 原 子 に 分 け ら れ る 。 水 分 子 は 水 素 原 子 が ２ つ と 酸 素 原 子 が １ つ が く っ つ い て で き て い る 。 原 子 は さ ら に 、 プ ラ ス の 電 荷 を も つ 原 子 核 １ つ と 、 マ イ ナ ス の 電 荷 を も つ い く つ か の 電 子 か ら な る も の だ 。 原 子 核 の 周 り に つ か ま っ て い る 電 子 は 素 粒 子 だ が 、 原 子 核 は 素 粒 子 で は な い 。 な ぜ な ら 陽 子 と 中 性 子 に 分 け ら れ る か ら だ 。 陽 子 と 中 性 子 は 、 さ ら に ク ォ ー ク と 呼 ば れ る 素 粒 子 に分 け ら れ る 。 ク ォ ー ク は 全 部 で ６ 種 類 。 陽 子 や 中 性 子 を つ く っ て い る の は ア ッ プ ク ォ ー ク と ダ ウ
