杉山 弘晃 京都産業大学 益川塾 博士研究員 天文学講座＠神山天文台、2014年５月１７日

2/79 益川塾ってどんなところ？ 素粒子 素粒子の質量 宇宙の質量 細かくしてみよう “ちから”(相互作用)も素粒子 役に立つの？ ＬＨＣ実験でのヒッグス粒子発見 ヒッグス場と素粒子質量 暗黒物質 もくじ

3/79 益川塾ってどんなところ？ ２００８年に益川さんに訪れた 「とある事件」(益川さん談)によって設立 毎年塾生を募集して、１号館の４階で 主に「素粒子物理学理論」を研究しています

4/79 入塾証授与式 入塾証 益川塾ってどんなところ？

5/79 研究室眺め 益川塾ってどんなところ？

6/79 研究発表風景議論風景 益川塾ってどんなところ？

7/79 益川塾ってどんなところ？ 素粒子 素粒子の質量 宇宙の質量 細かくしてみよう “ちから”(相互作用)も素粒子 役に立つの？ ＬＨＣ実験でのヒッグス粒子発見 ヒッグス場と素粒子質量 暗黒物質 もくじ

8/79 素粒子って何？ モノを作る最も小さい材料 素粒子と思われていたものが もっと小さい材料から作られていることが 判明することもある。 科学の発展によって変わっていく。 「いろいろなモノは何からできているのだろう？」 という素朴な疑問への答えとなる概念。

9/79 古代の素粒子(元素) 古代中国：五行 古代ギリシャ：四大元素 木・火・土・金・水 地・水・火・空気 惑星や曜日のなまえ ファンタジーの世界 古代インド：五大 (五輪) 地・水・火・風・空 宮本武蔵の五輪書の巻名

10/79 細かくしてみよう ほしみ～るちゃん （神山天文台マスコットキャラクター） Fe 鉄原子

11/79 ほしみ～るちゃん （神山天文台マスコットキャラクター） 鉄原子 細かくしてみよう 電子 原子核 （素粒子！） Fe

12/79 細かくしてみよう 電子 原子核 （素粒子！） 陽子 中性子 ０ ＋

13/79 細かくしてみよう 陽子 中性子 ０ ＋ アップクォーク （素粒子！） ダウンクォーク （素粒子！）

14/79 細かくしてみよう アップクォークダウンクォーク 電子 これだけだとバラバラなので、接着剤が必要！ だいたいこれらから作られる

15/79 ＋ 光子 電気的・磁気的な力を伝える粒子 つまり電磁波(光)の粒子化 引力 斥力 （原子を作る） （“地面”を作る） “ちから”(相互作用)も素粒子

16/79 グルーオン クォークに働く『強い力』 陽子・中性子(や原子核)を作る接着剤 陽子 ＋ 斥力 引力 勝つ (強い！) “ちから”(相互作用)も素粒子

17/79 ウィークボゾン 原子核の反応に関わる“ちから” 粒子の種類を変える “３つ子” “ちから”(相互作用)も素粒子 ＋ ０ 中性子 ベータ崩壊 陽子 電子 ニュートリノ(素粒子！) (反電子ニュートリノ)

18/79 ウィークボゾン 原子核の反応に関わる“ちから” 粒子の種類を変える “３つ子” “ちから”(相互作用)も素粒子 ＋ 重水素の原子核 核融合(太陽のエネルギー源) 陽子２個 陽電子(電子の反粒子) ＋ ０ ＋ 電子ニュートリノ

19/79 重力を伝える粒子 理論が未完成！ 重力子 “ちから”(相互作用)も素粒子

20/79 見つかっている素粒子の一覧表 電子 ニュートリノ アップ ダウン グルーオン 光子 ヒッグス粒子 Z W + W ー ミュー粒子 ニュートリノ ミュー チャーム ストレンジ タウ粒子 ニュートリノ タウ トップ ボトム

21/79 電子 ミュー粒子 タウ粒子 電子 ニュートリノ ミュー ニュートリノ タウ アップ ダウン チャームトップ ストレンジボトム ヒッグス粒子 Z W + W ー 見つかっている素粒子の一覧表 質量ゼロ グルーオン 光子

22/79 ミュー粒子 タウ粒子 チャームトップ ストレンジボトム ヒッグス粒子 Z W + W ー グルーオン 光子 電子 ニュートリノ ミュー ニュートリノ タウ 見つかっている素粒子の一覧表 質量 程度 電子 アップ ダウン

23/79 タウ粒子 チャームトップ ボトム ヒッグス粒子 Z W + W ー グルーオン 光子 電子 ニュートリノ ミュー ニュートリノ タウ 電子 アップ ダウン 見つかっている素粒子の一覧表 質量 程度 ミュー粒子 ストレンジ

24/79 トップ ヒッグス粒子 Z W + W ー グルーオン 光子 電子 ニュートリノ ミュー ニュートリノ タウ 電子 アップ ダウン ミュー粒子 ストレンジ 見つかっている素粒子の一覧表 質量 程度 タウ粒子 チャーム ボトム

25/79 グルーオン 光子 電子 ニュートリノ ミュー ニュートリノ タウ 電子 アップ ダウン ミュー粒子 ストレンジ タウ粒子 チャーム ボトム 見つかっている素粒子の一覧表 質量 程度 トップ ヒッグス粒子 Z W + W ー

26/79 電子 ミュー粒子 タウ粒子 アップ ダウン チャームトップ ストレンジボトム ヒッグス粒子 Z W + W ー グルーオン 光子 見つかっている素粒子の一覧表 質量 以下 電子 ニュートリノ ミュー ニュートリノ タウ

27/79 素粒子発見の歴史 １８９７年：電子の発見 １９３７年：ミュー粒子の発見 １９５６年：電子ニュートリノの発見 １９６２年：ミューニュートリノの発見 １９６９年：アップ、ダウン、ストレンジクォークの発見 １９７４年：チャームクォークの発見 １９７５年：タウ粒子の発見 １９７７年：ボトムクォークの発見 １９７９年：グルーオンの発見 １９８３年：ウィークボゾンの発見 １９９５年：トップクォークの発見 ２０００年：タウニュートリノの発見 ２０１２年：ヒッグス粒子の発見

28/79 素粒子物理学 ～何の役に立つの？～ 芸術家：良い音色を出せるとうれしい 物理学者：うまく式で表せるとうれしい 冒険家：そこに山があるから登ってみたい 物理学者：そこに謎があるから解明したい 陸上競技者：人はどれだけ速く走れるか挑戦 物理学者：人はどこまで宇宙を理解できるか挑戦 物理学者だけ「役に立つの？」と聞かれる… 「純粋科学」と「技術」の混同

29/79 素粒子物理学 ～何の役に立つの？～ フェルミ研究所の加速器建設について アメリカ上下両院合同委員会での質疑応答 John Pastore 議員 「この加速器は国防に役立ちますか？」 Robert.R. Wilson（のちの初代所長） 「国を守ることに直接関係しませんが 守る価値のある国にできます」

30/79 素粒子物理学 ～役に立つことも？～ 半導体、フラッシュメモリ 量子力学：非常に微小な世界を扱う 純粋科学が役に立った例 一般相対性理論：精密な重力を扱う GPS

31/79 世界で最初のウェブサイト (1990) 素粒子物理学 ～役に立つことも？～

32/79 素粒子物理学 ～役に立つことも？～ CERN (ヒッグス粒子の発見場所)にて 大規模な国際研究の利便性のために T.J. Berners-Lee (左)が R. Cailliau (右)とともに開発。 １９９３年４月３０日に CERN はWWWを無料で公開 ! (特許を取っていたらどうなっていた？) World Wide Web

33/79 益川塾ってどんなところ？ 素粒子 素粒子の質量 宇宙の質量 細かくしてみよう “ちから”(相互作用)も素粒子 役に立つの？ ＬＨＣ実験でのヒッグス粒子発見 ヒッグス場と素粒子質量 暗黒物質 もくじ

34/79 ２０１２年７月４日：ヒッグス粒子発見 そして、

35/79 ２０１３年ノーベル物理学賞 Peter Higgs François Englert F. Englert and R. Brout, Phys. Rev. Lett. 13, 321 (1964) P.W. Higgs, Phys. Lett. 12,132 (1964) Englertさんの共著者である Robert Broutさんは 残念ながら2011年に亡くなっていました。 存命ならば共同受賞していたはずです。 ６月２６日投稿 ７月２７日投稿

36/79 Conseil Européen Recherche Nucléaire (欧州原子核研究理事会。準備段階の名称) 現在は日本語だと「欧州原子核研究機構」 CERN の LHC実験 Large Hadron Collider (大型ハドロン衝突型加速器) 加速した陽子同士を衝突させる スイスの首都ジュネーブの、フランス国境付近 ２００８年９月１０日のGoogle 周長 27km のリング、地下約 100m Google ストリートビュー：

37/79 CERN の LHC実験 ジュラ山脈フランススイスジュネーブ空港 LHC (27km) CERN

38/79 CERN の LHC実験 8.5km

39/79 CERN の LHC実験 動画のURL

40/79 LHC実験でのヒッグス粒子発見 動画のURL

41/79 LHC実験でのヒッグス粒子発見 グルーオン衝突 光子 陽子 すぐ壊れる 光子 光子２つのエネルギー ヒッグス粒子生成 ヒッグス粒子の質量 (測定するもの)

42/79 LHC実験でのヒッグス粒子発見

43/79 LHC実験でのヒッグス粒子発見 発見

44/79 LHC実験でのヒッグス粒子発見

45/79 なぜ重要な発見か？

46/79 素粒子の質量の起源 きれいな理論を考えると質量を持てない！ モネ作：睡蓮物理学者作：ゲージ対称な理論

47/79 素粒子の質量の起源 ヒッグス場を導入してちょっと複雑に モネ作：睡蓮物理学者作：標準模型

48/79 素粒子の「標準模型」 「標準模型」：物理理論の固有名詞 標準の名にふさわしい大成功 ミュー粒子の異常磁気能率 「標準模型」の予言値： 実験での観測値： ミュー粒子 ヒッグス粒子が長らく発見されていなかった

49/79 素粒子の「標準模型」 「標準模型」の素粒子の最後のパーツ 質量に関わるとても重要な粒子 理論的な美しさをやや損なうので ヒッグス粒子のない理論も考えられていた ヒッグス粒子発見の意義 「標準模型」が磐石に 質量の作り方の確認 「標準模型」でよさそう

50/79 益川塾ってどんなところ？ 素粒子 素粒子の質量 宇宙の質量 細かくしてみよう “ちから”(相互作用)も素粒子 役に立つの？ ＬＨＣ実験でのヒッグス粒子発見 ヒッグス場と素粒子質量 暗黒物質 もくじ

51/79 準備 ～質量～ 重さ：無重力状態ならゼロ 質量：無重力状態でもそのままある 鉄 動かしづらさを表す量 動かしづらい 動かしやすい

52/79 準備 ～質量～ 質量なし：光速で飛び続ける 質量あり：光速より遅い 止まったりしない 止まることもできる 光子 質量なし： 光速 質量あり： 電子 遅い

53/79 よくある誤解 抵抗があると(水中)動きにくいのは理解しやすい (短時間、限られた紙面での解説には仕方ない) でも、抵抗なら動きが止まってしまう 何か変今日はちゃんと説明してみます

54/79 準備 ～場～ 場：各場所に値があるもの (場所の「関数」が実在している感じ） ＋ 各場所に 方向を持った値がある 電場 各場所に 方向を持たない値がある

55/79 準備 ～場～ 電荷をゆする ＝場にエネルギー ＋ 場が波打つ 場：各場所に値があるもの (場所の「関数」が実在している感じ） 粒子の源にもなる ＝電磁波(光子)

56/79 準備 ～真空～ 真空の特徴：粒子は居ない 「場」には満たされている ＋ 真空 電荷を置かない ＝値ゼロの場がある 真空

57/79 ヒッグス場とヒッグス粒子 ヒッグス場：各場所に方向を持たない値が対応 ヒッグス粒子の源 ヒッグス粒子：ヒッグス場の波 ０ ０ １ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ １ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ １ ０ ０ ０ ０ ０ ヒッグス場

58/79 ヒッグス場と素粒子質量 ヒッグス場の値 ０ ０ 真空では 値がゼロ 真空でも 値がある ヒッグス場：実は真空での値がゼロでなくても良い 真空の性質を変える！

59/79 ヒッグス場と素粒子質量 ヒッグス場の値 ０ ０ 真空では 値がゼロ 真空でも 値がある 誤：「ヒッグス粒子」が真空に詰まっている 正(?)：「ヒッグス場」の値が真空に詰まっている

60/79 ヒッグス場と素粒子質量 ヒッグス場の値 ０ ０ 真空では 値がゼロ 真空でも 値がある ヒッグス場：真空の性質を変える！ 素粒子に質量を与える！ 徐行 光速 (質量!)

61/79 ヒッグス場と素粒子質量 ヒッグス場の値 ０ ０ 真空では 値がゼロ 真空でも 値がある 徐行 光速 (質量!) 誤：「ヒッグス粒子」とぶつかる抵抗 正：「ヒッグス場」による真空の性質変化

62/79 ヒッグス場と素粒子質量 ヒッグス場の値 ０ 質量の違い：「ヒッグス場」への注意力の違い 見ない(質量ゼロ) よく見る(重い) あまり見ない(軽い)

63/79 ヒッグス場はダイエットの敵？ モノの質量の原因は 陽子・中性子の質量は 材料のクォーク３個分より モノの質量(陽子・中性子の質量)は 素粒子質量(ヒッグス場)とは別の原因による (約2%だけがヒッグス場による質量) ずっと重い 陽子・中性子の質量 ＋ ＋ ０ ＝ ＋ ０ ＋ ０ ＋ ０ ＋ ０

64/79 ヒッグス粒子の誤解のまとめ 誤：「ヒッグス粒子」 正(?)：「ヒッグス場」の値 誤：「ヒッグス粒子」とぶつかる抵抗 正：「ヒッグス場」が真空の性質を変えるから 真空に詰まっているのは、 素粒子質量の原因は、 モノの質量の源は、 誤：「ヒッグス粒子」 正： 2%だけが素粒子質量(ヒッグス場)起源 98%は別の起源(解明されている)

65/79 益川塾ってどんなところ？ 素粒子 素粒子の質量 宇宙の質量 細かくしてみよう “ちから”(相互作用)も素粒子 役に立つの？ ＬＨＣ実験でのヒッグス粒子発見 ヒッグス場と素粒子質量 暗黒物質 もくじ

66/79 暗黒物質 ～銀河団の運動～ 「繋ぎ止める重力」に必要な質量 見えている質量 ＝ 約400 F. Zwicky, Helvetica Physica Acta 6: 110–127 (1933) 見えない質量がないと銀河団はバラバラに

67/79 暗黒物質 ～銀河の回転～ 惑星の運動：遠いほどゆっくり (ケプラーの第２法則：面積速度一定) 銀河内の星の運動 速さ 中心からの距離 予想 観測 何かある V. Rubin, W. K. Ford, Jr Astrophysical Journal 159: 379 (1970)

68/79 暗黒物質 ～弾丸銀河団～ 高温のガスの領域：光るので見える 質量の領域：重力レンズでわかる ぶつかるので取り残される なぜかそのまますり抜けている ! 弾丸銀河団： 大きな銀河団を 小さな銀河団が貫いた

69/79 A,B,Cは同じ天体 重力レンズ

70/79 暗黒物質 ～宇宙の大規模構造形成～ 暗黒物質を考慮しないと 計算機シミュレーションが観測と合わない 動画のURL

71/79 暗黒物質 ～宇宙の温度ゆらぎ～ 宇宙の温度：平均３K (マイナス270℃) 平均からのずれが色々な情報を持つ 動画のURL

72/79 暗黒物質 ～宇宙の温度ゆらぎ～ 宇宙の温度：平均３K (マイナス270℃) 平均からのずれが色々な情報を持つ

73/79 暗黒物質 ～宇宙の温度ゆらぎ～ 138億年後: 現在 晴れ上がり 38万年後:

74/79 暗黒物質 ～宇宙の温度ゆらぎ～ 通常の物質：4.9% 暗黒物質：26.8% 暗黒エネルギー：68.3% ５倍 ! 現在の宇宙のレシピ

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76/79 暗黒物質の性質 電気を帯びていない 質量を持っている 崩壊しない 光(電磁波)を出さないから 銀河を重力でつなぎとめるため 宇宙にたくさん残っているから 「暗黒」というより「透明」 あまり相互作用しない 弾丸銀河団の質量のすりぬけ

77/79 暗黒物質の正体 ニュートリノ 電子 ミュー粒子 タウ粒子 電子ミュータウ アップ ダウン チャームトップ ストレンジボトム グルーオン 光子 ヒッグス粒子 Z W + W ー どれも暗黒物質とみなせない ! 質量ゼロ 崩壊する 帯電 軽すぎ

78/79 暗黒物質の正体 謎 ! ともかく新しい何か

79/79 まとめ ヒッグス場による真空の性質変化 ヒッグス粒子はヒッグス場を伝わる波 素粒子の「標準模型」は磐石 素粒子に質量を与える原因は でも宇宙の約５％だけを見ていた 宇宙の質量(物質)は ほとんどが暗黒物質 暗黒物質26.8% 通常物質4.9% まだまだ謎だらけ