Transcript 質量とは？
山崎祐司（神戸大） 第１講：現代の素粒子物理概観 第２講：LHC 実験，陽子衝突実験の原理，加速器 第３講：粒子の物質中でのふるまい 第４講：位置検出器とカロリメータ 第５講（セミナー）： いよいよ始まった LHC 実験 第１講の内容と重複 ＋ 実験の現状報告 第６講：トリガーとデータ取得 第７講：Higgs 粒子の探索法 これまで学んだことの応用 2 素粒子の種類 物質：クォークとレプトン その間に働く力：４つの相互作用 高エネルギー実験で理解したい未知の問題 力の統一 粒子の質量の起源と Higgs 粒子 宇宙の成分としての素粒子 ▪ 暗黒物質と超対称性，ダークエネルギー Extra-dimension （この世は何次元？） 3 顕微鏡でのぞいてみよう 結晶 ← ミドリムシ （光学顕微鏡） 分子 鳥インフルエンザ ウィルス （電子顕微鏡）→ インフルエンザウィルスは，なぜ （ふつうの）顕微鏡で見えない？ 原子 原子核(陽子,中性子) 4 ←放射光で見た 生体物質の結晶 結晶 分子 たとえば， Spring8 で 原子 原子核(陽子,中性子) 5 ラザフォード （イギリス）1911 年 原子 アルファ線（ヘリウム 原子核）を金にぶつけ 原子の中心に原子核が あることを発見 原子核 (陽子,中性子) 陽子 SLAC-MIT 1967 年 可視光の1000万倍のエネルギーの電子ビーム → 陽子の中身（クォーク）がみえる 電子 クォーク 6 電子とクォークは「素粒子」 原子 これ以上分解できない 大きさがゼロ ただし，今のところの話 実験事実は 原子核 (陽子,中性子) ▪ 電子，クォークとも壊れない ▪ 大きさ：10−18 m 以下 陽子 陽子（中性子）の質量は 電子の約 2000 倍 重さは原子の中心に集まる 電子 クォーク 7 電子の仲間， クォークの仲間とも 「３世代」ある だんだん重たくなる 電子の仲間 （電子とニュートリノ） を「レプトン(軽粒子)」 とよぶ すべてスピン 1/2 の フェルミ粒子 8 ニュートリノは，電子に化ける 他の物質と相互作用 （弱い相互作用）して， 電荷を奪い取り電子になる でも性質は似ていない 電荷がない 質量がほとんどない 9 E h アインシュタインの光量子仮説 光は，振動数に比例した エネルギーを持つ粒子（光子） 静電気力，磁気力は 光子を交換して伝わる e (電子) プランク定数 振動数 e 光子が 飛ぶ！ はね かえる e e 量子場の理論として発展 湯川：中間子説（陽子，中性子間の相互作用） 朝永，Feynman, Schwinger：電磁量子力学の完成 時間 力も粒子が伝達 10 先ほどのグラフを横倒しにした反応も存在する。 ところが，時間を逆に走る粒子が出てくる。それは変 「反粒子」として解釈 電荷が反対（電子 → 陽電子） 粒子とぶつかると，消滅 E 2 (mc2 ) 2 ( pc) 2 粒子・反粒子の対を，高エネルギー状態から生成 e e e e e+ e e e+ 11 クォークを陽子・中性子内に閉じこめる力 グルーオン（糊粒子）が伝達 クォーク クォークは ３種類の電荷を持つ グルーオン 陽子 赤，緑，青 （光の３原色）に例える 陽子は３色混ざって白色 色電荷を持たないので 強い力を受けない 12 力が弱いので，反応がめったに起きない アップクォーク，ダウンクォークの入れ替えもする 13 質量が 全然違う 第４世代は （たぶん）ない なぜ３世代か？？ 全くわからない ただし，３世代あることが，小林・益川理論の鍵 14 e m t e- m t . . . u d s c b top quark - - u d s c b anti-top quark . - - e m t e+ m t gluons （質量なし） W+, W- Z （陽子の質量 = ） ニュートリノと top quark の質量差 > 1011 以上 （たぶん > 1014 以上） 15 16 重力は，とても変な力 エネルギーに比例する むちゃくちゃ弱い ▪ 陽子に働く重力は，静電気力の 1037 分の１ なのに感じるのは，符号がなくて， いつでも引力だから ▪ 電気の力は，引力，斥力ともあって，キャンセルしている 重力も粒子で媒介されているはず 古典物理学：アインシュタインの一般相対論 (1915-16) でも，だれも重力場の理論を立てるのに成功していない 21 物質は，点状の素粒子（クォーク，レプトン）で できている。 ４種の相互作用（重力，電磁気，弱い力，強い力） も素粒子が担っている。 ただし，「重力子」は，理論もわからず，発見されてもいない この世を構成する（我々のまわりで見つかる）材料が出揃った 説明に困っていない（＝理論がわかっている）のか？ 他にないのか？ 18 電磁相互作用と「弱い力」はすでに統一 その先は？ 19 高校で習うこと 慣性 F外力 = mia （慣性質量） 重力 F重力 = mgg （重力質量） この２つは等しい そうでないと，どうなるか？ 今日のお話し： おもに慣性質量のほう 慣性＝重力 慣性≠重力 20 エネルギーと質量は等価 E mc 2 運動している物体では E ( pc) 2 (mc2 ) 2 p : 運動量 静止エネルギーを持つ 速度との関係 : pc (v / c) E m 0 なら E pc v c m 0 なら E pc v c 質量のある物質は光速に届かない 質量のない物質は光速でしか走れない 質量は，止まる「能力」 21 相対論では，エネルギーと質量は等価 光（質量ゼロの粒子）も エネルギーに比例して重力を受ける 慣性もエネルギーに比例 ▪ 重力レンズ，など 例：束縛状態の質量のない２粒子 遠くから見ると，質量があるように見える ＝ 静止エネルギーを持つ 強く束縛されている粒子は，重くなる 22 質量を「追い越しやすさ」として再定義 質量のない粒子（光）は，決して追い越せない 同じエネルギーなら，質量が重いほうがゆっくり 簡単に追い越せる スピンの進行方向成分は 追い越すと反転 速度は追い越すと逆向き スピンは追い越しても同じ向き 自分より早く 進んでいる粒子 追い抜いて 後ろへ去っていく 質量は，スピン反転しやすさの度合い 23 質量がない粒子は 右巻き／左巻き（カイラリティー） のどちらかの基底状態だけを持つ つまり，粒子によって右・左が 一意に決まる ▪ カイラル対称性と呼ぶ 質量があると 右巻き／左巻きは決められない 見ている人の相対速度で変わる ▪ カイラル対称性が 「破れている」という 24 超伝導体内では電子が引き合う（クーパー対） スピン逆向きでくっつく スピン０のボーズ粒子状態（スカラー粒子） ▪ すいすい泳げる そこに対でない電子が入り込むと… ▪ クーパー対のポテンシャルに 落ちたりはい上がったりして， なかなか進まない ▪ スピンの向きも逆転可能 電子は超伝導体内で重くなる 25 クォークも，宇宙が超伝導体なら重くなれる クォークにとって一番エネルギーの低い状態 （束縛状態）はクォーク・反クォーク対 (qq )と考える ▪ 宇宙は qq 対（スカラー束縛状態）の海 ▪ クォークはトラップされて 動きにくくなる ハドロン（クォークの 束縛状態）の質量を生む qq対（スカラー状態）が質量を生む正体 26 実験的検証，理論的検証が行われてきた 決定打： クォーク物質のコンピュータ シミュレーション 日本第２のスパコンで検証 「生のクォーク」を相互作用 させると質量が生まれた カイラル対称性の破れによる 理論と一致 27 ここまで：スピン½の粒子（フェルミ粒子）に質量を生み出 すしくみを見た スピン１の力を媒介する粒子（ゲージボゾン）にも重いもの はある 弱い相互作用を媒介 する W±, Z0 粒子 どうやって質量を 与えるか？ これだけ 質量なし あとはみんな 質量あり 28 磁場は，超伝導体内に 侵入できない（マイスナー効果） 磁場は，電磁相互作用光によって伝えられている 光が侵入できない ＝ 光子が抵抗力を受けて止まる ＝ 質量がある 巨視的には 磁場を打ち消す方向に電流が流れる（レンツの法則） 普通は電流が止まるが，超伝導なので流れ続ける ミクロのレベルでは，何が起きているか？ 29 強磁性体の例 隣り合った原子のスピンの向きが揃ったほうが エネルギーが低くなる物質 高温では，分子運動によりスピンの 向きはバラバラ ▪ どちらから見ても同じ（対称） 冷やすと， ある方向を向く 磁石になる ▪ 対称性が破れた 高温 低温 高温 低温 ２次元平面上で，向きが 揃っている度合いを表す量 30 例：強磁性体を伝わるスピン波（マグノン） スピンが揃った（対称性が破れた）物質でのみおこる 対称性が破れた場合にのみできる「粒子」 31 もしマグノンの波の伝わる速さが早い （遠くまで届く）と，スピンはほぼ同時に 協同して揺れる 遠くまで届く力を「いなす」ことができる ＝ 力が遠くに伝わらなくなる その結果，力の伝達粒子は重くなる 32 「スカラー粒子」を使う ヒッグスです 先ほどクーパー対，qq対のところで出てきた 真空と同じ量子数を持ち，気づかれずに存在 ２つのスカラー粒子について そのうち１つだけが 低温 高温 大きな「値」を持つとき， エネルギーが最小だとする ▪ 対称性が破れた状態 「いなす」粒子（NG ボゾン） 底をぐるぐる回る 33 Higgs スカラー粒子が 真空中で（内部空間に）一定の値を持ち 対称性を破り 光に質量を与え（マイスナー効果） 「もの」＝フェルミ粒子にも質量を与える （Higgs によるカイラル対称性の破れ） クォークはさらに質量を獲得 クォーク対によるカイラル対称性の破れ 34 Higgs 場からの 「抵抗」が慣性を生む Higgs 場に付随して Higgs 粒子が存在 質量：114 GeV 以上 (LEP実験からの下限値) Higgs 粒子が見つかって，初めて標準模型の完成 35 宇宙は膨張している 宇宙の始まり：爆発 自らの重み（重力）で収縮する？ 遠くのことは，昔に起こったこと （光の伝わるスピードは，有限） → 遠くの星を見ると， 宇宙初期がわかる 遠くの星の運動を調べると， 宇宙の運動がわかる → 宇宙の「総重量」がわかる 36 宇宙背景輻射：３８万年前の「晴れ上がり」 それより前は，宇宙はプラズマ（荷電粒子のガス） このとき初めて原子ができた ココ 宇宙の大きさ: 今の1100分の一，温度: 3000 K それが膨張して現在の背景輻射(2.7K) になった WMAP衛星 (アメリカ) 2003年の結果 37 宇宙全体の振動の「ばね定数」 から宇宙の質量がわかる 光らない物質の量もわかる 暗黒物質（ダークマター） 宇宙の膨張が加速している おかしい… 重力で拡張はだんだん 遅くなるはずなのに。 「反重力」を及ぼす何かがある 宇 宙 定 数 項 暗黒エネルギー（ダークエネルギー） 宇宙の物質の質量 38 回転速度と重力から 銀河団の温度や衝突から 銀河団が衝突し，暗黒物質（青）が先に 進み，普通の物質（赤）が取り残される様子 39 宇宙は未知のもので満ちている われわれの知っている物質（クォークとレプトン）4 % （そのうち星として光っているものは，わずか 0.4%） 引力を及ぼすダークマター：23% ▪ 普通の暗い星ではない（重力レンズで見えるはず） ▪ ニュートリノでもない（温度高すぎ） ▪ 未知の素粒子？ 斥力のもとダークエネルギー： のこり全部 ▪ まともな仮説すらない 40 背景輻射 ﾆｭｰﾄﾘﾉ LHC 背景輻射の向こうは， 人工的に作るか ニュートリノで見るか 暗黒物質「で」見るか 41 降ってくる暗黒物質をとらえる もうすぐ 宇宙背景ニュートリノをとらえる 宇宙始まりの１秒後まで見えるが…検出器開発中 地上で作ってみよう！ 暗黒物質，暗黒反物質の 新粒子 陽子 対生成なら， 高エネルギー衝突で作れる クォーク 陽子 新（反）粒子 42 超対称粒子：同じ性質を持つ，違うスピンの粒子 スピン０の「もの」（ボーズ粒子） スピン ½ の「ちから」（フェルミ粒子） スピン½ フェルミ粒子 スピン０ ボーズ粒子 スピン１ ボーズ粒子 スピン½ フェルミ粒子 e- ~e- γ ~0 電子 スカラー電子 光子 ゲージーノ 43 重い電荷のない粒子 重い ~2 ~1 ~0 一番軽い粒子はこれ以上崩壊できず，安定 もし超対称性が見つかれば， 素粒子・宇宙のみかたが全く変わる 軽い 暗黒物質 44 重力は変な力 むちゃ弱 エネルギーに比例 xm （連続量！） ▪ 普通の力：電荷（とびとびの値）に比例 x m 一般相対論：時空の曲がりとして説明 一般座標変換 ＝ 時空の座標系の再定義 に関する対称性から導かれる 45 V (r ) 重力も，超短距離で破綻 プランクスケール：重力が，重力源の質量のもつ エネルギーと等しくなる距離 or エネルギー 素粒子がブラックホールに なったりする r m2 G mc2 r おなじ問題は原子核と電子にもあった 古典物理では，電子がまわっていると 放射光を出して原子核に落ちてしまう。 量子力学が，それがないことを保証 放射光 超短距離の重力理論は「量子重力」 46 超対称性ペアは，お互いに化けられる スピンと質量以外の性質は同じ e- 例：スカラー電子 ⇄ 電子 + 中性ゲージーノ ~e- ~0 「超対称性変換」を起こすたび， 一般座標変換が起きる 量子重力を説明できる？ e- ~e- e- p m pm 47 我々の生活では見えない次元が丸まっている プランクスケールが TeV の可能性もあり ▪ 例：ADD model, 余剰次元 d 4+d 次元でのプランクスケールを MF として M 2pl M F2d 2R d ▪ 2次元, 0.1mm ならMF = 1 TeV 余剰次元での「励起順位」から たくさんの重い粒子が出る 松本重貴，瀬波大土 日本物理学会誌2008年４月号 解説記事「高次元理論と暗黒物質」より 48 4+n 次元のプランクスケールよりはるかに高いエネルギーで の衝突では，ブラックホールができる可能性がある インパクトパラメータが Schwarzschild 半径以下の時 ブラックホールが地球を 吸い込む？ ホーキング輻射によりすぐ 崩壊するので安全です 安定なミニブラックホールが 存在しない証拠もあります http://www.kek.jp/ja/news/topics/2008/LHCsafety.html （日本語） 49 究極の理論「超ひも理論」を完成させる 川合 光 （理研ニュース）より http://www.riken.go.jp/r-world/info/release/news/2006/may/index.html 50 素粒子：クォーク，レプトン，力の媒介粒子 だけど，わかっていないことだらけ 力の統一 質量起源 (Higgs ?) ダークマター ダークエネルギー （つまり，重力関係） 時空の構造（ExtraDimension） フレーバーの３世代構造 今の理論体系，そもそも正しい？？ ブレークスルーと期待：LHC実験 これまでのほぼ一桁上の衝突エネルギー 51