高エネルギー物理学２

なぜ、まとまっているのか？ 現代の物質像

力の根源とは何か？ 相互作用

Exchange force （交換力） 反発力？ 力の到達範囲 Particle Adventure 吸引力？

Exchange force （交換力） 反発力？ 力の到達範囲 吸引力？

力の媒介をするもの：ゲージ粒子 自発的対称性の破れ

Higgs 機構、Higgs粒子 LHCの話

検索 “Particle Adventure”

ここまでの話がこうなってます

Feynman diagram 素粒子が時空を移動する様を線で表現

素粒子の消滅と生成 m+ e+ e- m-

素粒子同士が影響を及ぼす e- e- m- m- 交換力の表現法

原子核内部（核力） 陽子 中性子

弱い相互作用（β崩壊） 中性子 陽子

ハドロンの反応

今日の目標： ファインマングラフをものにする 電子と陽電子が弾性散乱する。 電子と陽電子が消滅する。 電子と陽電子を衝突させて荷電B中間子のペアを作る（B+= (u b))。 πー中間子と陽子を衝突させて中性π中間子と中性子ができる。 太陽で核融合のための重水素ができる。（陽子＋陽子ー＞重水素＋陽電子＋ニュートリノ 実は正解は一つじゃない。そこがおもしろい！

おすすめの入門書 原 康夫・稲見武夫・青木健一郎 「素粒子物理学」 (朝倉書店, 2000年) 渡辺 靖志 「素粒子物理入門」 (培風館, 2002年) 原 康夫 「素粒子物理学」 (裳華房, 2003年） 素粒子物理学の基礎〈1-2〉 (朝倉物理学体系) 長島 順清 素粒子標準理論と実験的基礎 (朝倉物理学大系) 長島 順清 高エネルギー物理学の発展 (朝倉物理学大系) 長島 順清 高エネルギー物理学実験 真木晶弘　著 丸善　パリティ物理学コース

Ｂファクトリーで何がわかるか フレーバー物理の最前線 Ｂファクトリーで何がわかるか フレーバー物理の最前線　 高エネルギー加速器研究機構 　　　　　　　　　　　　　　　　　　幅　淳二

nm nt ne t b t b c s c s u d u d e e+ m- m+ t t+ まず復習 フレーバー（flavor）という概念 レプトン 反レプトン ミュー ニュートリノ nm m- 反ミュー m+ タウ t nt 反タウ t+ 電子 e ne 陽電子 e+ 反電子 クォーク 反クォーク トップ t ボトム b 反トップ t 反ボトム b 第三世代 チャーム c ストレンジ s 反チャーム c 反ストレンジ s 第二世代 アップ u ダウン d 反アップ u 反ダウン d 第一世代

反物質は、反陽子と反中性子でできた「反原子核」の周りを陽電子が回る「反原子」から構成される。 反原子、反物質そして反宇宙 陽電子 電子 実際に2002年ヨーロパのCERN研究所では、反水素原子の合成に成功している。 u d u d 陽子 反陽子 水素原子 反水素原子 反物質は、反陽子と反中性子でできた「反原子核」の周りを陽電子が回る「反原子」から構成される。

天使と悪魔（2009 Sony pictures) 加速器で作られた とされる｛反物質」 こんな大量の反物質は 現実にはありえません。

銀河系周辺を航行中に君たち知的生命体の存在を感知した。これからそちら（地球）に立ち寄って親善を深めたい。 ２００７年１１月１５日 対称だったはずの物質と反物質、しかし この宇宙には物質だけが残っているようにみえる 宇宙からの交信があった。 初めての「未知との遭遇」。歓迎準備で地球は大パニック！ 最初の乾杯はビール？ ワインより日本酒がお気に召すかも！ 中華料理が無難かしら？ そもそも地球の大気で窒息しない？ 　　　？？？？？？ 銀河系周辺を航行中に君たち知的生命体の存在を感知した。これからそちら（地球）に立ち寄って親善を深めたい。

ある物理学者がふとつぶやいた ところでやつらは、反宇宙から来た反宇宙人じゃないだろうな。つまり、体も宇宙船も反物質からできている。 反物質は、反陽子と反中性子でできた「反原子核」の周りを陽電子が回る「反原子」から構成される。 だとしたら、地球の大気に触れたとたん、対消滅して大爆発だ。 大急ぎで確認するんだ。

反原子、反物質そして反宇宙 電子 u d u d 陽電子 水素原子 反水素原子

ところでどうやったら確認できる？ 「いい考えがある」 素粒子物理学者が言った。 「最近Ｂファクトリーで発見された現象を利用すればよい。」 交信は電磁波（つまり光子）を使ってる。反宇宙が相手でも区別はつかない。 粒子と反粒子は相対的な概念だ。反宇宙では反粒子が「普通」の粒子。「あなた方は反宇宙ですか」と尋ねてても意味はない。 電荷もまた相対的な概念だ。原子を回る電子の電荷の＋／－を尋ねても意味がない。 「いい考えがある」 素粒子物理学者が言った。 「最近Ｂファクトリーで発見された現象を利用すればよい。」

CP対称性研究のために粒子と反粒子をつくる 人工的に粒子と反粒子を作り出し、その性質の違いを探る。 違いが最も際立つと予想されるｂクオークのシステム（Ｂ中間子）にターゲットを絞る。 電子と陽電子（これまた粒子と反粒子）を加速、衝突させてＢ中間子のペアを大量生産する。（Ｂファクトリー）

電子陽電子衝突反応で素粒子のペアが製造可能

日光 筑波山 KEKB Rings Belle 高エネ研（KEK) Linac ＫＥＫとＫＥＫＢ加速器

粒子と反粒子：その違いをB中間子に探してみると・・・・・。 （－） e‐ e+ B p+ p- K- K+ 　粒子と反粒子：その違いをB中間子に探してみると・・・・・。 10万回に一度ほど すべての粒子と反粒子は 全く対等な関係 観測された信号の強さ 　　　　　　　　　　　（事象数）に違いがある！ つまり粒子と反粒子で性質が異なる。 (区別できる現象がある。) < 950 1150

反宇宙人の見分け方を考えてみよう 中性Ｂ中間子を、正反それぞれ一億個ずつ用意する。 ご用命は、つくば・高エネルギー加速器研究機構まで。ただし生産には現在のところ約一年かかります。 どんどん崩壊しますがかまいません。なにせ寿命は１．５ピコ秒なので。 Ｋ中間子とπ中間子に崩壊した事象を選んで下さい。10万に一つですので見間違えのないようお願いします。 Ｋ中間子の符号（プラスとマイナス）で分類。事象の多かったのはどちらでしたか。 多かったＫ中間子の符号を、原子中で軌道を回る粒子（われわれの世界なら電子）の符号と比較。 我々の世界ではK中間子はプラスが多くて電子の符号はマイナス。 宇宙人に彼らの結果を尋ねなさい。 反対符号ならＯＫ！彼らはわれわれ同様、物質世界の通常宇宙人だ。握手をしても消滅しない。親善を深めよ。 だがもし、同符号なら・・・・

ヘリウム以上の反原子核は見つかっていない。 そもそも反宇宙は あるでしょうか？ ヘリウム以上の反原子核は見つかっていない。 気球による大気圏上空（３７ｋｍ）で探す反宇宙からの反物質ー 　　　　　　（BESS）実験

粒子 反粒子 宇宙の始まりはビッグバン・・・ その直後、粒子と反粒子は 正確に同じ数作られた。 ホンの少しの性質の違い から粒子の数がわずかに （１０億分の一）多くなった。 やがて宇宙全体の温度が下がっていき、 「粒子」と「反粒子」は相手を見つけて次々消滅、現在の宇宙の エネルギー(光)となった。 わずかに残った「粒子」が、現在の宇宙の物質（星）や私たち生命となった。

この宇宙には反物質はほとんどなさそうだ。 理由がある 存在には あなたの Bファクトリーによって粒子・反粒子の間にはほんのわずかな違いがあることがわかった。 その違いのために大量の(中性な）エネルギーとほんのわずかの「粒子」(物質)が残った。 そのわずかな物質のおかげで私たちは生まれた。

当時は３種類のクォークしか見つかっていなかった！ 粒子・反粒子の非対称CP対称性の破れ 小林益川モデルの提唱（1973） ３世代６種類のクォークで定式化可能 当時は３種類のクォークしか見つかっていなかった！ 大胆な予想 小林誠 益川敏英 祝　ノーベル賞受賞（２００８） （その後すべてのクォークが発見された） いつノーベル賞でもおかしくない！（昨年までのスライド）

t b c s u d クォークの崩壊（１９７３以前） 小林・益川の要請 n p + e + n Kp + m + n CP非保存の説明 トップ t ボトム b CP非保存の説明 新たなクオークの 導入 J/yの発見 (1974) チャーム c ストレンジ s n p + e + n Kp + m + n アップ u ダウン d

小林・益川行列（KM matrix） クォークで描いてみよう 小林益川クォーク混合行列 Vab π＋中間子の崩壊 K＋中間子の崩壊 W+ Vab a2/3 クォークで描いてみよう π＋中間子の崩壊 K＋中間子の崩壊 Ｄ＋中間子のＫπ崩壊 Ｂ０中間子のＫπ崩壊 クオークの弱い相互作用基本形

d b d b Bファクトリーの２つのB中間子系 B0中間子 B0中間子 出来た瞬間は、フレーバーの固有状態 ダウン ボトム ダウン ボトム 反ボトム b ボトム 反ダウン B0中間子 ダウン d 反ボトム b ボトム 反ダウン

B中間子振動イメージ W d b t B Vtd Vtb  b d b d t ？ B０ B０ X l + Y l - Dz

d b Bファクトリーの２つのB中間子系 B0中間子 出来た瞬間は、フレーバーの固有状態 片方がフレーバーの固有状態に ダウン d 反ボトム b 片方がフレーバーの固有状態に 壊れた瞬間、もう片方のフレーバー は定まっている。 これを、一つのB中間子が 「出来た瞬間」と再定義してやれば よい。

B0B0 mixing (di lepton) 二つのlepton（電子・ミューオン）のある事象 Dm = A(DZ) =(N異符号-N同符号)/(N異符号+N同符号) Dm = 　　0.463±0.008±0.016 ps-1 振動の速さが質量差と関係 （ニュートリノを思い出せ） B+- not removed

２００７年Bファクトリーの 新たな発見 D中間子の混合現象 D D

小林益川行列とユニタリ三角形 ユニタリ三角形 (r, h) Vtb Vtd (0,1) (0,0)

再び中性B中間子のπK崩壊 直接的ＣＰの破れ

b c c s d d b t d d s c d t b c 間接的ＣＰ対称性の破れ J/ KS KS J/ B0 B0 はじまりが Ｂ中間子？ それとも 反Ｂ中間子？ KS d d B0 b t d d KS s c J/ d t b c

現代の観測例 B1 B2

短い寿命の間飛行した後ずっと軽いふつうの素粒子に分解(崩壊）する。 B中間子とその反粒子がペアとなって発生する。 ベストコンディション（１．７ X１０３４／cm２／秒） で毎秒１７ペアを量産 １億個÷１７÷６０÷６０÷２４＝６８日 電子（８ＧｅＶ） 陽電子（３．５ＧｅＶ） B B 10.58GeV/c2 ¡(4S) 短い寿命の間飛行した後ずっと軽いふつうの素粒子に分解(崩壊）する。 B中間子とその反粒子がペアとなって発生する。

２００６年夏の時点での実験結果 _ 535 M BB pairs B0 tag _ 535 M BB pairs _ sin2f1= 0.642 ±0.031 (stat) ±0.017 (syst) A = 0.018 ±0.021 (stat) ±0.014 (syst) Belle preliminary BELLE-CONF-0647

ユニタリー三角形 Ｂファクトリーで角度決定・・・・・高精度化更に進行中 1(b) 2(a) 3(g) Vtd Vtb Vcd Vcb Vud Vub * Dmd b  d g b  c l n b  u l n f1 = (21  1)º f2 = (93 )º f3 = (60 )º +11 -9 +38 -24 f1 + f2 + f3 = (184 )º +20 -14

ユニタリー三角形の測定（２００７） http://ckmfitter.in2p3.fr/

Summary Ｂファクトリーは素粒子のフレーバーの謎を解き明かすユニークなマシンだ。 KEKB はルミノシティ性能で世界のトップを走り続けている。 ユニタリー三角形は予想を上回るはやさで、確定されつつある。 今後数年で１０億個のB中間子対を生産。 小林・益川理論の限界がみえるかも 　　　　　　　　標準理論を越えた新物理（超対称性理論など） クオークもレプトンも３世代。何か深い理由があるに違いない。そのヒントが見つかるか。