宇宙線起源は超新星等

起源は超新星等

宇宙線

後で説明 （１次宇宙線）

陽子

90%, a

^8%

p

K

ud, ud

加速器の衝突点と同じ

→

us, us

p

K

ミュー粒子に崩壊

見た目がシャワー のようなので

（２次宇宙線）

p ⁺ u d

W ⁺ m ⁺ n _m

m

He

㉕

宇宙線重イオン

原子核の破片（陽子等）

原子核乾板の顕微鏡画像

荷電粒子の飛跡を記録できる特殊な写真フィルム

フィルム中の原子核に衝突

p

名古屋大学理学部Ｆ研ＨＰより転載

加速器の正面衝突と違い、生成された粒子は前方（重イオンの方向）に集中する

最も軽いハドロン

衝突のエネルギーにより、

たくさんの粒子が生成されている。（多重発生）

㉖

６種のレプトン（電子の仲間）

レプトンも、クォークと同じく、点状の粒子で基本粒子だと考えられている。

電荷

－

e

電荷

0

t

タウ粒子

n _t

タウニュートリノ 第２世代

m ^－

ミュー粒子

n _m

ミューニュートリノ 第１世代

e

電子

n _e

電子ニュートリノ

地上に 降ってくる

宇宙線は ほとんどが

ミュー粒子 質量は電子の

200

自然放射線の 約２割 質量は電子の

10000

（陽子の５倍）

ニュート リノの 質量は

ほぼ

0

n _e

皆さんの体を１秒間に 数百兆個突き抜けている。

後日解説します。

2000

同じく３世代ある。

その意味は不明

㉖

短寿命

短寿命

2015

n _m →n _t

梶田隆章、後日解説

前回の㉖

宇宙線

スパークチェンバー

宇宙線（ミュー粒子）等の荷電粒子の飛跡を 観察できる機械

高エネルギー加速器研究機構ＨＰより転載

１個／

(cm

min

飛跡に沿って放電が起こる

実験

サーベイ・メータ

（放射線測定器）

㉗

放射線の単位は後で勉強します 宇宙線

大気シャワーの発達する上空は 地上より遥かに宇宙線が多い

㉘

問題

ミュー粒子（

m

t

2.2

10

ミュー粒子がほぼ光速（

3

10

m/s

2.2

10

c t = 3

10 ⁸

2.2

10

⁶ = 660 [m]

となる。２次宇宙線の崩壊により上空

10000 m

ヒント：ミュー粒子の静止エネルギーは約

100 MeV

200

地上に到達するミュー粒子のエネルギーは数

GeV

E = m ₀ c ² 1

v ²

c ²

ミュー粒子のエネルギー

E

5 GeV

100 MeV

1 1

v ²

c ²

= 50

g ,

㉙

ミュー粒子の時計の進み方は地上の

50

1

宇宙線のフラックス×

E

宇宙線のエネルギー

一次宇宙線のエネルギー分布

宇宙線のフラックス

LHC

1

1J

陽子 中性子

トップ クォーク

㉚

ヒッグス粒子

ペタ エクサ ゼタ

超高エネルギー宇宙線のイメージ（参考）

宇宙線の起源

太陽

～10 ⁹ eV

パルサー 超新星

活動銀河核

（銀河中心の巨大ブラックホール）

起源についてはまだよくわかっていない 陽子や

a

宇宙に存在する弱い磁場によって曲げられる

ローレンツ力：

F = qE+ qv

B

宇宙線の到来方向から起源を探ることができない ガンマ線（高エネルギー光子）は到来方向から

が起源わかる

㉛

スーパー・カミオカンデ

陽子崩壊を探索する目的で建設

（陽子の寿命＞

10

今は、主にニュートリノの観測装置 として活躍

神岡鉱山の地下１０００ｍにある

SUPER Kamioka Neutrino Detection Experiment

SUPER Kamioka

Nucleon Decay Experiment

㉜

40m

水チェレンコフ装置 総重量：

50000

1000 m

スーパー・カミオカンデ

観測の邪魔になる宇宙線（ミュー粒子）は

1000 m

40m

㉝

タンク内には純水で満たされている 観測中は天井まで水

たくさん並んでいるのは、光電子増倍管と呼ばれる微弱な光を検出する装置

人間のサイズ 世界で最も純粋な（放射性物質を含んでいない）水？

純水は優れた放射線の遮蔽材

スーパー・カミオカンデの内部

㉞

光電子増倍管

微弱な光を検出する装置

㉟

ニュートリノの検出原理

稀に起こるニュートリノと電子の散乱を観測

ニュートリノ 電子

ニュートリノ

電子は、ほぼニュートリノ の方向に散乱される

電子

・散乱された電子は（真空中の）光速に近い速度で運動する。

・電子の速度は水中における光速（光速の屈折率分の１）より速い

・音速以上で運動する物体が衝撃波を発するように

物質中を光速以上で運動する粒子はチェレンコフ光を発する 弱い力で散乱

（

W

Z

（他の反応もある）

水の屈折率

1.33

㊱

チェレンコフ光

原子炉の炉心は水で満たされているが 炉心の周辺はチェレンコフ光で青白く 光っている。

音波衝撃波の図と全く同じ

核分裂に伴って発生する

g

電子が散乱を起こすと 高エネルギーの電子ができる

①

ニュートリノの反応のファインマン図

n _e n _e

e

e ^－

Z ⁰

n _e

n _e e

e ^－

W ^±

n _e

d

e ^－ n _m m ^－

W

u

中性子の中の 陽子の中の

W

d

中性子の中の

u

陽子の中の

中性子が陽子に変化 中性子が陽子に変化

外から来た

外から来た

外から来た 外から来た

水中の 水中の

弱い力を 媒介する粒子

②

チェレンコフ光

チェレンコフ光

チェレンコフ光 チェレンコフ光

力を媒介する粒子

水素分子イオン 核力 電磁気力 強い力

光子は電荷を持っていないが、グルーオンは色荷を持っている

H p n p e e u u

電子

時間 時間

水素

原子 陽子 中性子 陽子 電子 電子

R G

p

H p p n e e u u

複雑な形で発現

強い力が 複雑な形で発現

RG

電場 磁場

ニュートリノは物質とほとんど相互作用しない。なぜ？

低エネルギー のニュートリノが電子に衝突しても

80

90 GeV

W

Z

しかし、不確定性原理の許すわずかな時間なら

W

Z

ヒント：核力はパイ中間子を媒介して作用する短距離力（約

10

m

140 MeV

弱い相互作用を媒介する

Z

91 GeV W

80 GeV

n _e n _e

e

e

Z

n _e

n _e e

e

W

③

（

1983

電荷や色荷を持たないので強い力、電磁気力が作用しないから。他には？

答

不確定性原理：

D t D E =

上の計算は理由の一つである。他にも考慮すべき要素がある。

h 4p

核力の場合の

1000

（エネルギーの不足）

核力の場合の

1 1000

弱い力を媒介する粒子

W , Z

1 1000

核力の場合（

1 fm = 10

¹⁵ m

1

1000

④

長距離力と短距離力

力を媒介する粒子の質量の有無で決まる 力を媒介する

粒子

その質量 長距離力／

短距離力

重力 グラビトン

0

電磁気力 光子

0

弱い力

W, Z 80

90 GeV/c ²

強い力 グルーオン

0

核力

p

140 MeV/c ²

ハドロンはすべて白色（単独の色荷は存在しない）なので、

ハドロンの内部・周辺でしか働かない。見かけ上短距離力

p ⁰ ,p

p,n

p,n

核力は基本的な力ではない。

強い力が複雑な形で現れたもの ファンデルワールス力が本質的には

電磁気力であるのと似ている。

p,n

p,n

⑤

チェレンコフ光はカミオカンデでどのように観測される？

壁には光の 輪が映る。

光子数で飛程１ｃｍあたり３７０個

42

ほぼ光速

光速の屈折率分の１

⑥

飛程は

太陽ニュートリノで １ｃｍ程度

チェレンコフ光の輪

色は信号のタイミングを示す。

チェレンコフ光の輪は水色になっている。

別の色は他の時間に検出されたノイズ

円の場所・形より、ニュートリノとの散乱で発生した電子の位置や方向がわかる

⑦

自然界のニュートリノ

・ 太陽ニュートリノ ～

10 MeV 660

(cm ²

)

核融合反応からの

n

・ 大気ニュートリノ ～

GeV 1

(cm ²

)

宇宙線と大気分子との反応で生成されるニュートリノ（

n

,n

,n

,n

・ 地球ニュートリノ ～

3MeV 400

(cm ²

)

地球内部の放射性物質の崩壊からの

n

カムランド（

KamLAND

2005

・ 超新星ニュートリノ ～

20 MeV 600

cm ²

電子陽電子追消滅等からのニュートリノ（

n

,n

,n

,n

,n

,n

・ 宇宙背景ニュートリノ ～

meV 10

(cm ²

)

ビッグバンで生成されたニュートリノ（

n

,n

,n

,n

,n

,n

スーパーカミオカンデで観測できるニュートリノ：数

MeV

（チェレンコフ光のリングを観測できる）

⑧

(SN1987A

)

太陽ニュートリノ

4p → ⁴ He + 2e ⁺ + 2n _e

24.7MeV , 2e

+ 2e

→

2.0 MeV

太陽のエネルギー源：核融合反応

← pp

pp

太陽の中心付近で 起こっている主な反応

（

1500

K

2500

陽子（

p, H

重水素（²

H

ヘリウム（³

He

ヘリウム（⁴

He

n _e n _e

e ⁺ e ⁺

g g

1 kg

7 g

質量は保存しない。

E = mc

陽子 中性子

4p + 2e

→

He + 2n

26.7MeV

↓

⑨

質量欠損

陽子の静止エネルギー：

938.27 MeV ,

1.6726

10

²⁷ kg

0.51 MeV ,

0.0009

10

²⁷ kg

4 He

α

3727.38MeV ,

6.6447

10

²⁷ kg

問題：上の式で右辺の質量の合計は左辺の質量より小さいことを確かめよ。

また、質量欠損に相当する静止エネルギーを

eV

4 × 1.6726 + 2 × 0.0009 ^－ 6.6447 = 0.0475 [10 ^{－ 27} kg]

mc ² = 0.0475 × 10 ^{－ 27} × (3 × 10 ⁸ ) ²

= 4.28 × 10 ^{－ 12} [J] = 26.7 MeV

4p + 2e

→ ⁴ He + 2n _e + 26.7MeV

4 × 938.27 + 2 × 0.51 ^－ 3727.38 = 26.72 [MeV]

質量は保存しない。

（電子ない）

（参考）

2H ₂ + O ₂ → 2H ₂ O + 5.9 eV

⑩

太陽定数

地球大気表面の単位面積、単位時間に垂直に入射する太陽のエネルギーで 約

1366W/m

太陽定数

黒点数

太陽フレア 電波

⑪

太陽定数も１１年周期で変動するが、

0.1%

太陽黒点

黒点

12

4

2000

9

21

黒点は見当たらない

今日の太陽黒点

2018

12

12

太陽の自転周期は約

27

太陽黒点数の時間変化

極小期

11

⑫

⑬

ニュートリノ・フラックスの計算

問題：太陽定数

1366 [W/m ² ] [J/m ²

s]

よりニュートリノ・フラックス（何個

/m ²

s

考え方：まず、

1

1

1366 J

1366 J

1366 J 26.7 MeV

1366 J

26.7

10 ⁶

1.602

10 ^{－ 19} J

= = 3.2

10 ¹⁴

１個の核融合で２個ニュートリのが発生するのでその倍 答：

6.4

10 ¹⁴

/m ²

s = 640

/cm ²

s

4p + 2e

→ ⁴ He + 2n _e

26.7MeV

ニュートリノがエネルギーを持ち去るので実際の値は多少異なる

実際は少し小さい

実際は少し多い

実際は少し多い スライド⑧ で確認

⑭

自然界のニュートリノ

・ 太陽ニュートリノ ～

10 MeV 660

(cm ²

)

核融合反応からの

n

・ 大気ニュートリノ ～

GeV 1

(cm ²

)

宇宙線と大気分子との反応で生成されるニュートリノ（

n

,n

,n

,n

・ 地球ニュートリノ ～

3MeV 400

(cm ²

)

地球内部の放射性物質の崩壊からの

n

カムランド（

KamLAND

2005

・ 超新星ニュートリノ ～

20 MeV 600

cm ²

電子陽電子追消滅等からのニュートリノ（

n

,n

,n

,n

,n

,n

・ 宇宙背景ニュートリノ ～

meV 10

(cm ²

)

ビッグバンで生成されたニュートリノ（

n

,n

,n

,n

,n

,n

スーパーカミオカンデで観測できるニュートリノ：数

MeV

（チェレンコフ光のリングを観測できる）

⑧

(SN1987A

)

スーパー・カミオカンデで捕らえた太陽ニュートリノ

観測したニュートリノの数

660

(cm

)

5

1

電子の進行方向が 太陽と反対の方向 電子の進行方向が

太陽の方向

太陽ニュートリノ

⑮

ニュートリノで「見た」太陽

地下

1000m

太陽をニュートリノで見る意味は？

太陽

光は、突然太陽の核融合が停止しても影響が出るのは１０万年後

数十万年

（熱の移動） 光 ２秒

ニュートリノ

太陽の中心で現在起こっている核融合の様子を観察できる。太陽モデルの確認 夜でも「見える」

⑯

太陽ニュートリノ 昼と夜

ニュートリノ・フラックス

地球

地球もスカスカ

⑰

n

n

問題：この変動の原因は何か？

⑱

太 地 ７月 １月 地

答：強調して書くと・・・

遠日点 近日点

ニュートリノだけでなく、光で見た太陽の明るさも同じ量だけ異なる 地球の軌道は楕円軌道であり、楕円の焦点の一つが太陽

楕円とは、２つの点（焦点）からの距離が等しい点の集合 実際の軌道は、下の図よりもっと円に近い

もう一つの焦点

⑲

問題：近日点と遠日点で、太陽明るさは何％異なる？

２．４５

２．２７

2.45/2.27 = 1.079

1

（特にニュートリノで求める必要もないが・・・）

距離の違いは４％

⑳

太陽ニュートリノ問題

デイビスらの実験（

1970

1/3

ノーベル賞

ニュートリノ振動（参考）

太陽 地球

n _e

n _m , n _t

（ニュートリノに質量がある証拠）

量子力学的な現象（後で補足）

デイビスらの実験は

n

カミオカンデも、主に

n

37 Cl + n _e → ³⁷ Ar + e ^-

㉑

4p + 2e

→

He + 2n

+ 26.7MeV

太陽定数（

1366W/m

660

cm

s

n _e

スーパーカミオカンデで観測した太陽ニュートリノの量は、期待値の約半分

↑

放射性同位体 この崩壊を測定

アメリカのホームステイク鉱山

615

C ₂ Cl ₄

ドライクリーニング等 に用いられる

㉒

自然界のニュートリノ

・ 太陽ニュートリノ ～

10 MeV 660

(cm ²

)

核融合反応からの

n

・ 大気ニュートリノ ～

GeV 1

(cm ²

)

宇宙線と大気分子との反応で生成されるニュートリノ（

n

,n

,n

,n

・ 地球ニュートリノ ～

3MeV 400

(cm ²

)

地球内部の放射性物質の崩壊からの

n

カムランド（

KamLAND

2005

・ 超新星ニュートリノ ～

20 MeV 600

cm ²

電子陽電子追消滅等からのニュートリノ（

n

,n

,n

,n

,n

,n

・ 宇宙背景ニュートリノ ～

meV 10

(cm ²

)

ビッグバンで生成されたニュートリノ（

n

,n

,n

,n

,n

,n

スーパーカミオカンデで観測できるニュートリノ：数

MeV

（チェレンコフ光のリングを観測できる）

⑧

(SN1987A

)

起源は超新星等

宇宙線

後で説明 （１次宇宙線）

陽子

90%, a

^8%

p

K

ud, ud

加速器の衝突点と同じ

→

us, us

p

K

ミュー粒子に崩壊

見た目がシャワー のようなので

（２次宇宙線）

p ⁺ u d

W ⁺ m ⁺ n _m

m

He

前回の㉕

W ⁺

大気ニュートリノ

１次宇宙線

q q

q q

q q q q

p

p ⁺

質量の小さい

u , d

主に生成される

↓

p

主に生成される

p

p

p ⁺ u d

m ⁺ n _m n _m

m ⁺

e ⁺ n _m

n _e m ⁺ n _m

W ⁺ e ⁺ n _e

時間

地面

エネルギー の大きな

一部の

m

（衝突）

（崩壊）

（崩壊）

粒子・反粒子が

逆の場合も同数ある。

㉓

p ⁺ → m

n

m ⁺ → e ⁺ n _e n _m

６種のレプトン（電子のなかま）復習

レプトンも、クォークと同じく、点状の粒子で基本粒子だと考えられている。

電荷

－

e

電荷

0

t

タウ粒子

n _t

タウ・ニュートリノ 第２世代

m

ミュー粒子

n _m

ミュー・ニュートリノ 第１世代

e

電子

n _e

電子ニュートリノ

地上に 降ってくる

宇宙線は ほとんどが

ミュー粒子 質量は電子の

200

10000

（陽子の５倍）

質量は ほぼ

0

太陽で発生した

n

皆さんの体を１秒間に数百兆個突き抜けている。

地球に届いたときは

n

残りは

n

n

宇宙線の強度 １個／

(cm

min

㉔

大気 ﾆｭｰﾄﾘﾉ

大気圏に 突入する 宇宙線 天頂（地表に対して垂直上方）

スーパー カミオカンデ

ニュートリノは等方的（上からも下からも横からも同様にやってくる。）

観測器（カミオカンデ）の検出効率は等方的でないが上下はほぼ対称的。

→

㉕

ニュートリノ振動がない場合に期待される数 ニュートリノ振動がある場合に期待される数 スーパーカミオカンデで観測された数

上から来るニュートリノは 距離が十分ないので振動しない

20 km

距離が十分あるので振動している。

1

km

ニュートリノ 上から下

2015

戸塚洋二

2008

大気ニュートリノのニュートリノ振動

観測されたミューニュートリノの数

㉖

１９９８年 梶田隆章

ニュートリノ 下から上

n

n

２０１５年ノーベル物理学賞

受賞理由：ニュートリノ振動の発見により、ニュートリノに質量があることを示したこと

大気ニュートリノの ニュートリノ振動

この後に説明

梶田隆章 アーサー・マクドナルド

太陽ニュートリノの ニュートリノ振動

2001

2

SNO

n

65%

n

, n

直接的な観測データを得た。

35%

n

㉗

たかあき

（参考）ニュートリノ振動① n _e , n _m , n _t

n

, n

, n

電子、

m

t

W ⁺ p ⁺ u

d

m ⁺ n _m

m ⁺ W ⁺ n e _m ⁺

n _e

m+

n

e

n

n _e e ^－

W ^±

外から来た チェレンコフ光

m+

n

弱い力を媒介する粒子

d

中性子の中の

u

陽子の中の

変化したものが

e

n

㉘ ^{試験には出ません}

p ⁺ → m

n

m ⁺ → e ⁺ n _e n _m

（参考）ニュートリノ振動② n ₁ , n ₂ , n ₃

決まった質量を持っている（質量の固有状態）なのは

n ₁ , n ₂ , n ₃ n _e , n _m , n _t

例：

n _e = a n ₁ + b n ₂ + c n ₃

a, b, c

n ₁ , n ₂ , n ₃

例えば

t = 0

n _e

t

n(t)

n(t) = ae

^{i w}

^t n ₁ + be

^{i w}

^t n ₂ + ce

^{i w}

^t n ₃

最初

n _e

n _m

n _t

（ニュートリノ振動）

ちゃんと理解するには量子力学の知識が必要

E

=h w

/2p E

=h w

/2p E

=h w

/2p

㉙ ^{試験には出ません}

座標変換に似ている：

x’ = ax + by + cz

a, b, c

大気ニュートリノ（電子ニュートリノは？）

電子ニュートリノ ミュー・ニュートリノ

振動がない場合とほぼ同じ

→ニュートリノ振動無し

下から来る（地球を貫通した）ミュー・ニュートリノは タウ・ニュートリノに変わった

スーパー・カミオカンデでは、タウ・ニュートリノは上のような解析が難しい。

㉚

振動がない場合の期待値 振動がある場合の期待値

振動がない場合の期待値 振動がある場合の期待値

振動がある場合とほぼ同じ

→