高エネルギー物理学２.

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1 高エネルギー物理学２

2 なぜ、まとまっているのか？ 現代の物質像

3 力の根源とは何か？ 相互作用

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

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

6 力の媒介をするもの：ゲージ粒子 自発的対称性の破れ

7 Higgs 機構、Higgs粒子 LHCの話

8 検索 “Particle Adventure”

9 ここまでの話がこうなってます

10 Feynman diagram 素粒子が時空を移動する様を線で表現

11 素粒子の消滅と生成 m+ e+ e- m-

12 素粒子同士が影響を及ぼす e- e- m- m- 交換力の表現法

13 原子核内部（核力） 陽子 中性子

14 弱い相互作用（β崩壊） 中性子 陽子

15 ハドロンの反応

16 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！

17 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

18 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

19 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

20 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。

21 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。

22 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。

23 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。

24 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

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26 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。」

27 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）

28 電子陽電子衝突反応で素粒子のペアが製造可能

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

30 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

31 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・・・・

32 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

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34 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。

35 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。

36 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）

37 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

38 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

39 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

40 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

41 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。

42 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

43 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

44 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)

45 再び中性B中間子のπK崩壊 直接的ＣＰの破れ

46 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

47 現代の観測例 B1 B2

48 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。

49 ２００６年夏の時点での実験結果 _ 535 M BB pairs
B0 tag _ 535 M BB pairs _ sin2f1= ±0.031 (stat) ±0.017 (syst) A = ±0.021 (stat) ±0.014 (syst) Belle preliminary BELLE-CONF-0647

50 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 = ( )º f3 = ( )º +11 -9 +38 -24 f1 + f2 + f3 = ( )º +20 -14

51 ユニタリー三角形の測定（２００７）

52 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。