高エネルギー物理学 講義のシナリオ １）標準理論の考え方 1a) クォークとレプトン 1b) 力の働く仕組み (ゲージ原理)

Presentation on theme: "高エネルギー物理学 講義のシナリオ １）標準理論の考え方 1a) クォークとレプトン 1b) 力の働く仕組み (ゲージ原理)"— Presentation transcript:

1 高エネルギー物理学 講義のシナリオ １）標準理論の考え方 1a) クォークとレプトン 1b) 力の働く仕組み (ゲージ原理)
　　　1c) 真空とは何か　（真空の相転移） ２）素粒子を見る 　　 2a) ニュートリノ 　　　　 超新星、太陽ニュートリノ、ニュートリノ振動 　　 2b) ＣＰの破れ 　　　　 物質宇宙の形成 　　　　 小林-益川行列 甲南大学大学院講義 平成１６年９月１６日 甲南大学講義04

2 極微と極大のスケール 甲南大学講義04

3 高エネルギー物理学 物質の究極構成要素＝素粒子を見つける 素粒子間に働く力の構造を解明する。 手段 数学 主として加速器
　　数学 　　主として加速器 　　非加速器素粒子実験（宇宙観測、机上実験） 甲南大学講義04

4 素粒子標準理論 １）物質はクォークとレプトンからできている。 ２）素粒子間に働く力はゲージ理論に従う。
３）吾々を取り巻く真空は極低温の超伝導相にある。 ゲージ原理は相対性原理、量子原理に並ぶ重要な思想革命 　　　一般相対性理論もゲージ理論の一種 甲南大学講義04

5 （１）　クォークとレプトン 甲南大学講義04

6 クォークは物質の 　　究極の構成要素 甲南大学講義04

7 物質の大部分は空虚な空間 人間の大きさ --> 10 光年 原子の大きさ --> 地球サイズ
人間の大きさ　　　--> 10 光年 原子の大きさ　　　--> 地球サイズ 陽子の大きさ　　　--> ゴルフ場 クォークの大きさ　--> ゴルフボール (バーナード星(6光年先)の惑星表面にあるゴルフボールを見ることに相当) 甲南大学講義04

8 クォークとレプトン サイズ < cm 甲南大学講義04

9 物質を構成する４元素 エンペドクレス 甲南大学講義04

10 ハドロン 観測されるクォークの複合体 バリオン＝ 陽子、中性子 ｑ ｑ ｑ Λ、Σ、Ξ、Ω メソン＝ クォーク・反クォーク対
ハドロン　観測されるクォークの複合体 バリオン＝　　　　　　　　　陽子、中性子 　　　　　　　　ｑ　　　ｑ　　ｑ　Λ、Σ、Ξ、Ω メソン＝　　　　　　　クォーク・反クォーク対 　　　　　　　ｑ　　ｑ　　　　π、Ｋメソン ー ハドロン多重項 甲南大学講義04

11 ハドロン多重項 クォークモデル 甲南大学講義04

12 ハドロンはクォークの複合体　(u,d,c,s) 甲南大学講義04

13 クォークモデル(1964) クォークモデルへの道 ゲルマン・ネーマンの8道説 (1961) フェルミ・ヤンモデル (1949)
　　　　(1949) 中野・西島・ゲルマンの法則　(1953) 坂田モデル(1956)　　IOO対称＝SU(3)　(1959) ゲルマン・ネーマンの8道説　(1961) クォークモデル(1964) 甲南大学講義04

14 トピック２：　ゲージ場による力 甲南大学講義04

15 力の粒子 相対性原理と量子原理  力の粒子の存在
力の粒子 相対性原理と量子原理　　力の粒子の存在 相対性原理 ∵　思考実験：　太陽がある瞬間に消滅 　　 地球はいつそれを知るか？　 ８分後 　 知らない間は力が働いている。 　　 力の場の存在 　　 場は波として伝わる 量子原理  力の粒子の存在 甲南大学講義04

16 力の場 甲南大学講義04

17 重力の幾何学的解釈 1 2 Rmn- - gmnR = 8pGTmn 一般相対論方程式 右辺のエネルギー分布が 左辺の時空の曲率を決める式
時空のゴムシート類推 1 2 Rmn- - gmnR = 8pGTmn 一般相対論方程式 　右辺のエネルギー分布が 　左辺の時空の曲率を決める式 甲南大学講義04

18 ４つの基本的な力 甲南大学講義04

19 物質粒子と力の粒子 甲南大学講義04

20 粒子と場の方程式 物質粒子： ディラック方程式 ゲージ場との相互作用 ゲージ場： 電磁場のマクスウェル方程式 2001.9.21
物質粒子：　ディラック方程式 ゲージ場との相互作用 ゲージ場：　電磁場のマクスウェル方程式 甲南大学講義04

21 ゲージ場の幾何学的解釈 ヤン・ミルズ、 内山龍雄
ゲージ場の幾何学的解釈 ヤン・ミルズ、　　内山龍雄 電磁場は超空間の曲率とみなせる。 　マクスウェルの方程式は 　電荷分布が超空間の曲率を決める方程式 拡張カルーツァクライン理論 時空を４＋Ｄ次元に拡張する 　全ての力を多次元空間の幾何学で解釈 　　　　超重力理論、超弦理論 甲南大学講義04

22 QCD: Quantum Chromo-Dynamics
クォークの力の基は３種類の色荷（と反色荷） グルーオンは８色 グルーオン場の方程式 甲南大学講義04

23 クォークの閉じこめ： 紐モデル 色の力 単独クォークは発見されていない。 クォークは単独に取り出せない
クォークの閉じこめ：　紐モデル 単独クォークは発見されていない。 クォークは単独に取り出せない クォーク間のポテンシャル：　　ｋ：　紐定数 　ある程度離れるとバラバラに千切れる。 　クォークはジェットとして観測される。　 色の力 　距離に関係なく 　～１５０トン 甲南大学講義04

24 第２種超伝導体 完全反磁性体 電子ホログラフィ写真 磁束は束になって超伝導体を貫く 磁荷をつなぐ紐になる 超伝導体 2001.9.21
第２種超伝導体　完全反磁性体 超伝導体 磁束は束になって超伝導体を貫く 　　磁荷をつなぐ紐になる 電子ホログラフィ写真 甲南大学講義04

25 力 ∝ ｒ-2 力 = 一定 完全反誘電体の中では電気力線は束になる 上は電荷の作る電気力線 下は閉じこめを与えるカラー電束
　　　下は閉じこめを与えるカラー電束 甲南大学講義04

26 物質は陽子とほぼ同じ質量の中性子でできている <<(2x3+6)/938=0.01>>
質量の実体 物質は陽子とほぼ同じ質量の中性子でできている 陽子の重さ=938MeV u (d) クォークの重さ = 3 (6) MeV クォーク固有の質量は全体の 1 % <<(2x3+6)/938=0.01>> 残りの質量はどこにあるか？ ｛ 答え:　力の場 !! ｝ 甲南大学講義04

27 甲南大学講義04

28 ハドロンの質量 ＝クォークの運動エネルギー ＋ポテンシャルエネルギー （クォークの質量はほぼゼロ）
ハドロンの質量 　＝クォークの運動エネルギー 　　　＋ポテンシャルエネルギー 　　　　　（クォークの質量はほぼゼロ） クォーク ハドロン ～10-13cm 甲南大学講義04

29 人はどこまでクォークか？ 質量：1%以下。 体積：10-３６以下
人はどこまでクォークか？ 　　　質量：1%以下。　体積：10-３６以下 いいえ 力の場が 質量と体積を担うのです 甲南大学講義04

30 トピック３　真空とは 甲南大学講義04

31 エネルギーが ”空間的 時間的” に局在するとき われわれはそれを粒子と呼ぶ 一定量のエネルギーがつねに行動を共にするとき
トピック３：　無の状態　(真空とは何か？) 万物は全てエネルギーの一形態である． 　　　　　　 E=MC2 エネルギーが ”空間的 時間的” に局在するとき 　　　　　　　われわれはそれを粒子と呼ぶ 一定量のエネルギーがつねに行動を共にするとき 　　　　　　　われわれはそれを質量と呼ぶ 《真　空》とは粒子の存在しない無の空間　 　量子効果（ハイゼンベルグの不確定性原理） 　真空の再定義：エネルギーの基底状態 甲南大学講義04

32 真空のエネルギー 標準理論の根幹認識 真空は無ではない。Nothing is something. 宇宙エネルギーの70％ ＝暗黒エネルギー
　真空のエネルギー 標準理論の根幹認識 　 真空は無ではない。Nothing is something. 真空にはヒッグス粒子が 充満している、いわば物質みたいなものと考える 　　真空はエネルギーを持つ。 Nothing has energy. 　　真空は相転移する。　Nothing changes 宇宙エネルギーの70％ 　　　　　　　　　＝暗黒エネルギー 甲南大学講義04

33 真空とは 量子ゆらぎ ハイゼンベルグの不確定性原理 粒 子 反粒子 W+ W- g e- e+ クォーク 反クォーク 2001.9.21
粒 子 反粒子 e+ e- W+ W- g 真空とは 量子ゆらぎ 真空エネルギーは存在する：　カシミヤ効果の実験的証明。 ２枚の平行金属板の間隔が狭くなると、重力以外の力が働く 真空の放射エネルギーが、狭いところに閉じこめられることによりエネルギー密度が変化（減少）する効果 ハイゼンベルグの不確定性原理 甲南大学講義04

34 真空エネルギーの存在 カシミヤ効果の力 ∝ｄ-4 甲南大学講義04

35 真空を調べる (300k) 甲南大学講義04

36 ヒッグスの海 標準理論はヒッグス場の存在を仮定 宇宙空間はヒッグスで充満している 宇宙が膨張して冷えると 水蒸気が水になり、氷になるように
　水蒸気が水になり、氷になるように 　相転移を起こし、ヒッグスの海になる。 甲南大学講義04

37 素粒子統一理論の考え 原始 全ての粒子は光速で走った（質量ゼロ） ヒッグスの海に入るとジグザグ運動して遅く走る （引きずり効果）
原始　全ての粒子は光速で走った（質量ゼロ） ヒッグスの海に入るとジグザグ運動して遅く走る 　　　　　　　　　　　　　　（引きずり効果） 　平均的には重い荷物を背負って走ることと同じ 　　　　　　　　質量獲得！！ 甲南大学講義04

38 　標準理論の主張 質量は粒子に固有の性質ではなく 環境変化により後天的に獲得した性質 甲南大学講義04

39 ヒッグス粒子とは ヒッグスの海にさざなみを立てると、ヒッグス粒子として観測される。 さざなみを作るには石を投げる
高速の粒子同士を衝突させることにより、ヒッグスの海にさざなみが立つ 甲南大学講義04

40 無の状態 再定義 科学者のパーティ ヒッグスの海 会話 → 相互作用 ‖ 騒音レベル → 温度 真 空 有名人登場 質量発生 耳よりニュース
無の状態　再定義 科学者のパーティ 真　空 ヒッグスの海 ‖ 会話 　→ 相互作用 騒音レベル → 温度 有名人登場 　質量発生 耳よりニュース ヒッグス粒子 　　出現 甲南大学講義04

41 無の状態の解明　ヒッグス探索器 LHC/ATLAS 34ヶ国150機関1850人 甲南大学講義04

42 統一理論の系譜 真空の相転移概念を適用して 全ての力の統一 が理解できる 甲南大学講義04

43 数学の枠組み モデル構築 最初のゲージ場理論 QED 非アーベルゲージ理論 標準理論 1946-49 湯川 1935 フェルミ 1934
朝永・シュウィンガー・ファイマン 湯川 1935 非アーベルゲージ理論 フェルミ 1934 ヤン・ミルズ1954 標準理論 ト・フーフト 　　1971 ワインバーグ・サラム 1967 甲南大学講義04

44 宇宙の相転移 ビッグバン 現代＝極低温の超伝導相状態 甲南大学講義04

45 トピック４　素粒子を見る 甲南大学講義04

46 甲南大学講義04

47 高エネルギー加速器 素粒子製造 ビッグバン再現 高エネルギー加速器科学研究機構 米国フェルミ加速器研究所 2001.9.21
甲南大学講義04

48 ガリレオ・ピサ加速器 研究所 Galileo Galilei 甲南大学講義04

49 最初の素粒子発見 J.J.Thomson, 1897 陰極線の e/m 測定 使用した加速器 2001.9.21 甲南大学講義04
　　　　　　　　　　　　　　　　ヘルツ　陰極線は中性と思った 使用した加速器 甲南大学講義04