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 ７.まとめ

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。 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、各質量の和である。

（１）：万有引力定数Ｇ 万有引力の法則 　Ｇ＝６．６７４２（１０）ｘ１０＾｛－１１｝ ｍ＾３/Ｋｇ ｓ^2 Ｇを精密に決定する方法はあるか？

質量についての問題 １．重力質量と慣性質量は等価か？ ３．質量は不変か？ ４．質量の起源は何か？ 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？

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=ｎRT、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 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。 　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 電荷 ＋２/３|e| ー１/３|e| ー|e|

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 　　　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 τ 、τニュートリノ、tクォーク、bクォーク

電磁相互作用と弱い相互作用の例 電子 陽子 水素原子 光子 ミューニュートリノ ミュー ミュー崩壊 Wボソン 電子 電子ニュートリノ

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。 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。 　　　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) ジュネーブ空港

LHC加速器 8.3Tの強力な超伝導双極磁石 ◎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 例えば、Higgs粒子(130GeV)は、 毎時1000事象も生成

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 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 　　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 　　測定器で観測する。

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 SN１９８７A 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 　　　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　 ・ニュートリノの質量が有限であることが分かった。

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 　　　　　　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＝　２５MeV　（　E=mc^2　) ニュートリノ一個　　　　　　　　　　　　

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 　：　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 ニュートリノ 地球 太陽 E= 数 Mev ミューニュートリノ は ミューオン (m=100Mev/c^2)を生成する

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 高温度 低温度 宇宙を占める３Ｋの背景輻射の全天写真

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？ 宇宙の起源や、構造で重要なダークマターは新しい素粒子か？