素粒子論（素粒子物理学）入 門
現代物理学入門
石川 健三
素粒子論入門（ 石川 ）
１．質量について。 質量とは？
２．原子論の進展
３．基本粒子と４種の基本相互作用
４．素粒子の質量とその起源（ 世界最大の実験
ＬＨＣ）
５．ニュートリノの質量の発見
６．宇宙を占めるダーク・マター
1 質量とは何か？
（１）万有引力の法則：
すべての物体間には、質量の積に比例し、距離の 自乗に反比例する万有引力が働く。
（２）ニュートンの運動の法則
物体の加速度は、物体の質量に反比例し物体に 加わった力に比例する。
(
３）多数の物体の質量は、各質量の和であ
（１）：万有引力定数Ｇ
•
万有引力の法則
Ｇ＝ ６．６７４２（１０）ｘ１０＾｛－１ １｝ ｍ＾３
/Ｋｇ ｓ
^2Ｇを精密に決定する方法はあるか？
１．重力質量と慣性質量は等価か？
２．合成系の 質量 は、各要素の質量の和である。
３．質量は不変か？
４．質量の起源は何か？
質量についての問題
１－１：重力質量と慣性質量は等 価か？
•
重力中で自由落下する物体は、いつも平 行に動くか？
•
現代における精度は？
•
人工衛星、惑星ロケット、他
•
時間の進み方は速度により違う
２．原子論の進展
(i)
すべての物質は、小さな基本的な物質の構成 要素である原子からできている。
(ii)
物質の性質の多くは、原子論から理解するこ とができる。
例： 気体の法則
PV= ｎ RT、熱力学の法 則
多様な物質の存在、電磁気現象、他
(iii)
物質の生成、変換、崩壊する物質
原子論の進
展
水素原子の質量
水素原子は１モルで１グラムである。１モルは
、アボガドロ数（６ｘ１０＾２３）の原子から なるので、一個の水素原子は、
１ /6x10^23=1.6x10^(-24)
グラムである。
水素は、電荷が＋
|e|の水素原子核が中心にあり、
電荷が
-|e|の電子が周りを回っている。
陽子の質量は、電子の質量の約２０００倍である
。
質量（ エネルギー ）の換算
陽子質量 m 静止エネル ギー
３．基本粒子と 4 種の基本的相互 作用
•
基本粒子
それ以上分解できない粒子、すべての物質 の構成要素である。
•
基本的相互作用
それ以上分解できない相互作用、すべての 相互作用が導かれる。
基本的でない相互作用の例：摩擦の力、張力、
、垂直抗力、ばねの力、
物質と相互作用の場
•
物質は原子（素粒子）から構成されている。
•
物質はいくつかの基本粒子からなり、
相互作用はいくつかの場から生成している
。
基本粒子も、基本的な場も共に素粒子である
現代の素粒子
＋２ / ３ | e|ー１ /
３ |e|
0 ー |e|
電荷
•
素粒子の質量の和から物体の質量が決まる （１）有限の質量の素粒子
荷電レプトンとクォーク
電子 ミュウ タウ（
τ）
u,d,c,s,t,b
クォーク、Ｗ、Ｚボソン
（２）ほぼ零質量の素粒子（波）
ニュートリノ
（３）零質量の素粒子（波）
光子（電磁波）と重力波（重力場）
素粒子間の基本的な力（相互作 用）
•
電磁相互作用
電荷を帯びた物質間の力、電流間の力
•
弱い相互作用
ベータ崩壊の起源、ニュートリノ
•
強い相互作用
クォーク間の力、核子内、中間子内の力
•
重力相互作用
万有引力
力 （相互作用）の統一
基本的な力の場の起源となる素粒 子
•
電磁相互作用
光子
(photon,)•
弱い相互作用
弱ボソン
(W,Z boson)ゲージ粒子
•
強い相互作用
グルーオン
(gluon)•
重力相互作用
重力子
(graviton)三世代の物質粒子
•
第一世代
電子、電子ニュートリノ、
uクォーク、
dクォーク
•
第二世代
μ 、 μ
ニュートリノ、
cクォーク、
sクォーク
•
第三世代
電磁相互作用と弱い相互作用の例
電子
陽子
ミュー ミューニュートリノ
電子
光子
W
ボソン
水素原子
ミュー崩壊
クォークレプトンの質量
陽子質量
電子質量
４：素粒子の質量の特徴
•
軽いニュートリノと重い“ｔ”クォークで １２桁以上 異なる。
•
ＷボソンやＺボソンは、陽子の約
90倍の質量をもち非 常に重いが、光に近い普遍的な性質を持つ。
•
同じ粒子が、質量がある場合（相）とない場合（相）が
ある。
素粒子が質量を持つのには理由 がある。
•
磁石
磁石はなぜ磁石になっているか。
磁石を高い温度にすると磁石でなくなる。
電子間の相互作用より、“磁石”が発現
•
同様に、素粒子を超高温にすると質量が消失する（
宇宙初期）。
ヒッグス場の相互作用より、素粒子の“質量”
が発現する。
４－２：質量の起源は何か？
•
質量は質量の場（未知の素粒子（ヒッグス粒 子））が原因である。
•
真空中ではヒッグス粒子が凝縮している（超 伝導や超流動のようになっている）。基本粒 子の質量は、ヒッグス場との結合の大きさで 決まる。
•
ヒッグス粒子を探す実験（ＬＨＣ実験）
が始まる。
LHC
実験（
CERN)◎世界最高エネルギーであり、
LEP/Tevatron に比べて実質的に 10 〜 20 倍の重心系のエネル ギー
◎Luminosity も LEP の約 100 倍 （ B-factory と同程度）
豊富な統計量での研究が可能 8.3T の強力な超伝導双極磁石
LHC 加速器
ヒッグス粒子が発見されるか？
•
２００７年ー２０１０年頃に発見される
可能性が大きい。
４－３ 素粒子の崩壊と安定性
•
重い素粒子はベータ崩壊で軽い素粒子に 崩壊する。
•
重い素粒子は不安定であり、軽い素粒子 は安定である。
•
安定な素粒子：
電子、ニュートリノ、陽子
(uud)、
光子、
ニュートリノの歴史
•
ベータ崩壊の発見
１８９６ ベックレル•
ニュートリノ仮説
１９３０ パウリ•
実験的存在証明
１９５３－１９５６ ライネス、コーエン•
空間反転の破れ
１９５７ リー、ヤン、ウ―•
二つのニュートリノ
１９６２•
ニュートリノ天文学
１９８７神岡（小柴他）•
ニュートリノの質量と振動
現在５：ニュートリノの質量の発見
•
ニュートリノ振動実験
（）太陽の内部では核融合反応が進行中。
ニュートリノが生成され、約５００秒かけて 地
球に到達する。
（） 原子炉内ではベータ崩壊によるニュートリ
ノが生成される。炉から２００ｋｍの距離にあ
る
５－１：ニュートリノ振動
•
質量を持つ複数のニュートリノは相互転
換する。
ニュートリノの生成
•
SN
１９８７
A超新星爆 発
太陽 核融合
宇宙線の崩壊 大気ニュートリ ノ
加速器 素粒子の崩 壊
原子炉 ベータ崩壊
ニュートリノの生成反応の例
•
中性子 陽子＋電子＋（反）電子 ニュートリノ（ベータ崩壊）
•
パイ中間子 ミュー＋ミュウニュート
リノ
太陽内の核融合
•
陽子＋陽子
ー＞ 重陽子＋陽電子＋ニュートリノ
•
重陽子＋陽子ー＞ヘリウム（３）核＋光
•
ヘリウム（３）核＋ヘリウム（３）核
→＞ ヘリウム（４）核＋２ 陽子
•
放出エネルギー＝ ２５
MeV（
E=mc^2 )太陽ニュートリノの観測
（ i
）デイビス（
1960年代）
： ニュートリノが引き起こす化学反応を利用 ：太陽のエネルギー生成機構から予想される
ニュートリノ量の半分が観測された。
（ ii
）神岡チェレンコフ測定器（
1980 － 2000年 代）
：太陽ニュートリノによる反応で生成される電
子を測定する。予想値の
6割程度が観測
太陽ニュートリノ欠損
•
太陽ニュートリノの観測量が太陽理論よ りも半分程度になっているのは、太陽内 で生成
されたニュートリノが地球まで伝播する 間に
他のニュートリノに変換された。
太陽ニュートリノ欠損
電子 ニュートリノ ミューオン ニュート
太陽 リノ 地球
ミューニュートリノ は ミューオン
(m=100Mev/c^2) を生成 E= 数 Mev
デイビスの実験
神岡実験（小柴、戸塚他）
ニュートリノの質量差
•
（Ｍ１）＾２ー（ｍ２）＾２＝１０＾
｛－４｝
(eV/c^2)^2• (m2)^2-(m3)^2=10^{-2}(eV/c^2)^2
•
質量の差が分かったが、質量の値はまだ
分からない。これからの問題である。
ニュートリノを筑波で生成し神岡
（富山）で観測する
６．宇宙のダーク・マター
•
宇宙は、通常の物質（陽子、電子等）よ り多くのダーク・マターでできている。
•
現在の素粒子標準理論では、ダーク・マ
ターになる粒子はない。
６－１：銀河とダークマター
見えない質量（ダークマター）
•
ｘ星 の運動
ダーク・マターによる重力レン
ズ
WMAP 宇宙背景輻射の温度分布
宇宙を占める３Ｋの背
高温度
低温度
ダークマター
•
電荷を持たない物質（ダークマター）が 宇宙の質量の大部分である。
•
ダークマターが素粒子であるとしたら、
未知の
素粒子である。
現代の素粒子
まとめ
•
現在、質量の起源となるヒッグス粒子がわか りつつある。今年か来年、実験で見つかる？
•
なぜ、ニュートリノの質量が特異なのか？そ の絶対値は？
•
![[3] 塩素酸 3 塩素酸 1. 物質に関する基本的事項 (1) 分子式 分子量 構造式 物質名 : 塩素酸 CAS 番号 : ( 塩素酸 ) CAS 番号 : ( 塩素酸カリウム (K 塩 )) CAS 番号 : ( 塩素酸ナトリウム (Na 塩 )](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAP///wAAACH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAICRAEAOw==)