質量とは?

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Transcript 質量とは?

山崎祐司(神戸大)
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
第1講:現代の素粒子物理概観
第2講:LHC 実験,陽子衝突実験の原理,加速器
第3講:粒子の物質中でのふるまい
第4講:位置検出器とカロリメータ
第5講(セミナー): いよいよ始まった LHC 実験
 第1講の内容と重複 + 実験の現状報告


第6講:トリガーとデータ取得
第7講:Higgs 粒子の探索法
 これまで学んだことの応用
2

素粒子の種類
 物質:クォークとレプトン
 その間に働く力:4つの相互作用

高エネルギー実験で理解したい未知の問題
 力の統一
 粒子の質量の起源と Higgs 粒子
 宇宙の成分としての素粒子
▪ 暗黒物質と超対称性,ダークエネルギー
 Extra-dimension (この世は何次元?)
3

顕微鏡でのぞいてみよう
結晶
← ミドリムシ
(光学顕微鏡)
分子
鳥インフルエンザ
ウィルス
(電子顕微鏡)→
インフルエンザウィルスは,なぜ
(ふつうの)顕微鏡で見えない?
原子
原子核(陽子,中性子)
4
←放射光で見た
生体物質の結晶
結晶
分子

たとえば,
Spring8 で
原子
原子核(陽子,中性子)
5
ラザフォード
(イギリス)1911 年
原子
アルファ線(ヘリウム
原子核)を金にぶつけ
原子の中心に原子核が
あることを発見
原子核
(陽子,中性子)
陽子
SLAC-MIT 1967 年
可視光の1000万倍のエネルギーの電子ビーム
→ 陽子の中身(クォーク)がみえる
電子
クォーク
6

電子とクォークは「素粒子」
原子
 これ以上分解できない
 大きさがゼロ

ただし,今のところの話
 実験事実は
原子核
(陽子,中性子)
▪ 電子,クォークとも壊れない
▪ 大きさ:10−18 m 以下

陽子
陽子(中性子)の質量は
電子の約 2000 倍
 重さは原子の中心に集まる
電子
クォーク
7

電子の仲間,
クォークの仲間とも
「3世代」ある
 だんだん重たくなる

電子の仲間
(電子とニュートリノ)
を「レプトン(軽粒子)」
とよぶ

すべてスピン 1/2 の
フェルミ粒子
8

ニュートリノは,電子に化ける
 他の物質と相互作用
(弱い相互作用)して,
電荷を奪い取り電子になる

でも性質は似ていない
 電荷がない
 質量がほとんどない
9

E  h
アインシュタインの光量子仮説
 光は,振動数に比例した
エネルギーを持つ粒子(光子)
静電気力,磁気力は
光子を交換して伝わる
e
(電子)
プランク定数 振動数
e
光子が
飛ぶ!
はね
かえる
e

e
量子場の理論として発展

湯川:中間子説(陽子,中性子間の相互作用)

朝永,Feynman, Schwinger:電磁量子力学の完成
時間
力も粒子が伝達
10
先ほどのグラフを横倒しにした反応も存在する。
ところが,時間を逆に走る粒子が出てくる。それは変

「反粒子」として解釈
 電荷が反対(電子 → 陽電子)
 粒子とぶつかると,消滅

E 2  (mc2 ) 2  ( pc) 2
粒子・反粒子の対を,高エネルギー状態から生成
e
e
e
e
e+
e
e
e+
11

クォークを陽子・中性子内に閉じこめる力
 グルーオン(糊粒子)が伝達
クォーク

クォークは
3種類の電荷を持つ
グルーオン
陽子
 赤,緑,青
(光の3原色)に例える

陽子は3色混ざって白色
 色電荷を持たないので
強い力を受けない
12

力が弱いので,反応がめったに起きない

アップクォーク,ダウンクォークの入れ替えもする
13


質量が
全然違う

第4世代は
(たぶん)ない
なぜ3世代か?? 全くわからない
 ただし,3世代あることが,小林・益川理論の鍵
14
e m t e- m t
.
.
.
u d s
c
b
top quark
- - u d s
c
b
anti-top quark
.
- - e m t e+ m t
 gluons
(質量なし)
W+, W-
Z
(陽子の質量 =
)
ニュートリノと
top quark の質量差
> 1011 以上
(たぶん > 1014 以上)
15
16

重力は,とても変な力
 エネルギーに比例する
 むちゃくちゃ弱い
▪ 陽子に働く重力は,静電気力の 1037 分の1
 なのに感じるのは,符号がなくて,
いつでも引力だから
▪ 電気の力は,引力,斥力ともあって,キャンセルしている

重力も粒子で媒介されているはず
 古典物理学:アインシュタインの一般相対論 (1915-16)
 でも,だれも重力場の理論を立てるのに成功していない
21

物質は,点状の素粒子(クォーク,レプトン)で
できている。

4種の相互作用(重力,電磁気,弱い力,強い力)
も素粒子が担っている。
 ただし,「重力子」は,理論もわからず,発見されてもいない

この世を構成する(我々のまわりで見つかる)材料が出揃った
 説明に困っていない(=理論がわかっている)のか?
 他にないのか?
18

電磁相互作用と「弱い力」はすでに統一
 その先は?
19

高校で習うこと
 慣性 F外力 = mia (慣性質量)
 重力 F重力 = mgg (重力質量)

この2つは等しい
 そうでないと,どうなるか?

今日のお話し:
おもに慣性質量のほう
慣性=重力
慣性≠重力
20

エネルギーと質量は等価 E  mc 2
運動している物体では
E  ( pc) 2  (mc2 ) 2 p : 運動量
 静止エネルギーを持つ
速度との関係 : pc  (v / c) E
m  0 なら E  pc  v  c
m  0 なら E  pc  v  c

質量のある物質は光速に届かない
質量のない物質は光速でしか走れない
質量は,止まる「能力」
21

相対論では,エネルギーと質量は等価
 光(質量ゼロの粒子)も
エネルギーに比例して重力を受ける
 慣性もエネルギーに比例
▪ 重力レンズ,など

例:束縛状態の質量のない2粒子
 遠くから見ると,質量があるように見える
= 静止エネルギーを持つ
強く束縛されている粒子は,重くなる
22

質量を「追い越しやすさ」として再定義
 質量のない粒子(光)は,決して追い越せない
 同じエネルギーなら,質量が重いほうがゆっくり
 簡単に追い越せる

スピンの進行方向成分は
追い越すと反転
 速度は追い越すと逆向き
スピンは追い越しても同じ向き
自分より早く
進んでいる粒子
追い抜いて
後ろへ去っていく
質量は,スピン反転しやすさの度合い
23

質量がない粒子は
 右巻き/左巻き(カイラリティー)
のどちらかの基底状態だけを持つ
 つまり,粒子によって右・左が
一意に決まる
▪ カイラル対称性と呼ぶ

質量があると
 右巻き/左巻きは決められない
見ている人の相対速度で変わる
▪ カイラル対称性が
「破れている」という
24

超伝導体内では電子が引き合う(クーパー対)
 スピン逆向きでくっつく
スピン0のボーズ粒子状態(スカラー粒子)
▪ すいすい泳げる
 そこに対でない電子が入り込むと…
▪ クーパー対のポテンシャルに
落ちたりはい上がったりして,
なかなか進まない
▪ スピンの向きも逆転可能
電子は超伝導体内で重くなる
25

クォークも,宇宙が超伝導体なら重くなれる
 クォークにとって一番エネルギーの低い状態
(束縛状態)はクォーク・反クォーク対 (qq )と考える
▪ 宇宙は qq 対(スカラー束縛状態)の海
▪ クォークはトラップされて
動きにくくなる
 ハドロン(クォークの
束縛状態)の質量を生む
qq対(スカラー状態)が質量を生む正体
26


実験的検証,理論的検証が行われてきた
決定打:
クォーク物質のコンピュータ
シミュレーション
 日本第2のスパコンで検証
 「生のクォーク」を相互作用
させると質量が生まれた
 カイラル対称性の破れによる
理論と一致
27

ここまで:スピン½の粒子(フェルミ粒子)に質量を生み出
すしくみを見た

スピン1の力を媒介する粒子(ゲージボゾン)にも重いもの
はある
 弱い相互作用を媒介
する W±, Z0 粒子

どうやって質量を
与えるか?
これだけ
質量なし
あとはみんな
質量あり
28

磁場は,超伝導体内に
侵入できない(マイスナー効果)
 磁場は,電磁相互作用光によって伝えられている
 光が侵入できない = 光子が抵抗力を受けて止まる
= 質量がある

巨視的には
 磁場を打ち消す方向に電流が流れる(レンツの法則)
 普通は電流が止まるが,超伝導なので流れ続ける
ミクロのレベルでは,何が起きているか?
29

強磁性体の例
 隣り合った原子のスピンの向きが揃ったほうが
エネルギーが低くなる物質
 高温では,分子運動によりスピンの
向きはバラバラ
▪ どちらから見ても同じ(対称)
 冷やすと,
ある方向を向く
磁石になる
▪ 対称性が破れた
高温
低温
高温
低温
2次元平面上で,向きが
揃っている度合いを表す量
30

例:強磁性体を伝わるスピン波(マグノン)
 スピンが揃った(対称性が破れた)物質でのみおこる

対称性が破れた場合にのみできる「粒子」
31

もしマグノンの波の伝わる速さが早い
(遠くまで届く)と,スピンはほぼ同時に
協同して揺れる
 遠くまで届く力を「いなす」ことができる
= 力が遠くに伝わらなくなる
 その結果,力の伝達粒子は重くなる
32

「スカラー粒子」を使う  ヒッグスです
 先ほどクーパー対,qq対のところで出てきた
 真空と同じ量子数を持ち,気づかれずに存在

2つのスカラー粒子について
 そのうち1つだけが
低温
高温
大きな「値」を持つとき,
エネルギーが最小だとする
▪ 対称性が破れた状態
 「いなす」粒子(NG ボゾン)
底をぐるぐる回る
33

Higgs スカラー粒子が
 真空中で(内部空間に)一定の値を持ち
対称性を破り
 光に質量を与え(マイスナー効果)
 「もの」=フェルミ粒子にも質量を与える
(Higgs によるカイラル対称性の破れ)

クォークはさらに質量を獲得
 クォーク対によるカイラル対称性の破れ
34
Higgs 場からの
「抵抗」が慣性を生む
Higgs 場に付随して
Higgs 粒子が存在
質量:114 GeV 以上
(LEP実験からの下限値)

Higgs 粒子が見つかって,初めて標準模型の完成
35

宇宙は膨張している
 宇宙の始まり:爆発
 自らの重み(重力)で収縮する?


遠くのことは,昔に起こったこと
(光の伝わるスピードは,有限)
→ 遠くの星を見ると,
宇宙初期がわかる
遠くの星の運動を調べると,
宇宙の運動がわかる
→ 宇宙の「総重量」がわかる
36

宇宙背景輻射:38万年前の「晴れ上がり」
 それより前は,宇宙はプラズマ(荷電粒子のガス)
 このとき初めて原子ができた
ココ
宇宙の大きさ: 今の1100分の一,温度: 3000 K
それが膨張して現在の背景輻射(2.7K) になった
WMAP衛星 (アメリカ) 2003年の結果
37

宇宙全体の振動の「ばね定数」
から宇宙の質量がわかる
 光らない物質の量もわかる
暗黒物質(ダークマター)

宇宙の膨張が加速している
 おかしい… 重力で拡張はだんだん
遅くなるはずなのに。
 「反重力」を及ぼす何かがある
宇
宙
定
数
項
暗黒エネルギー(ダークエネルギー)
宇宙の物質の質量
38


回転速度と重力から
銀河団の温度や衝突から
銀河団が衝突し,暗黒物質(青)が先に
進み,普通の物質(赤)が取り残される様子
39

宇宙は未知のもので満ちている
 われわれの知っている物質(クォークとレプトン)4 %
(そのうち星として光っているものは,わずか 0.4%)
 引力を及ぼすダークマター:23%
▪ 普通の暗い星ではない(重力レンズで見えるはず)
▪ ニュートリノでもない(温度高すぎ)
▪ 未知の素粒子?
 斥力のもとダークエネルギー:
のこり全部
▪ まともな仮説すらない
40
背景輻射
ニュートリノ
LHC
背景輻射の向こうは,
人工的に作るか
ニュートリノで見るか
暗黒物質「で」見るか
41

降ってくる暗黒物質をとらえる
 もうすぐ

宇宙背景ニュートリノをとらえる
 宇宙始まりの1秒後まで見えるが…検出器開発中

地上で作ってみよう!
 暗黒物質,暗黒反物質の
新粒子
陽子
対生成なら,
高エネルギー衝突で作れる
クォーク
陽子
新(反)粒子
42

超対称粒子:同じ性質を持つ,違うスピンの粒子
 スピン0の「もの」(ボーズ粒子)
 スピン ½ の「ちから」(フェルミ粒子)
スピン½
フェルミ粒子
スピン0
ボーズ粒子
スピン1
ボーズ粒子
スピン½
フェルミ粒子
e-
~e-
γ
~0

電子
スカラー電子
光子
ゲージーノ
43
重い電荷のない粒子
重い
~2

~1

~0

一番軽い粒子はこれ以上崩壊できず,安定
もし超対称性が見つかれば,
素粒子・宇宙のみかたが全く変わる
軽い
暗黒物質
44

重力は変な力
 むちゃ弱
 エネルギーに比例
xm
(連続量!)
▪ 普通の力:電荷(とびとびの値)に比例

x m
一般相対論:時空の曲がりとして説明
 一般座標変換 = 時空の座標系の再定義
に関する対称性から導かれる
45

V (r )
重力も,超短距離で破綻

プランクスケール:重力が,重力源の質量のもつ
エネルギーと等しくなる距離 or エネルギー
 素粒子がブラックホールに
なったりする
r
m2
G
 mc2
r
おなじ問題は原子核と電子にもあった
古典物理では,電子がまわっていると
放射光を出して原子核に落ちてしまう。
量子力学が,それがないことを保証
放射光
超短距離の重力理論は「量子重力」
46

超対称性ペアは,お互いに化けられる
 スピンと質量以外の性質は同じ
e-
 例:スカラー電子
⇄ 電子 + 中性ゲージーノ

~e-
~0

「超対称性変換」を起こすたび,
一般座標変換が起きる
 量子重力を説明できる?
e-
~e-
e-
p m  pm
47

我々の生活では見えない次元が丸まっている
 プランクスケールが TeV の可能性もあり
▪ 例:ADD model, 余剰次元 d
4+d 次元でのプランクスケールを
MF として M 2pl  M F2d 2R d
▪ 2次元, 0.1mm ならMF = 1 TeV

余剰次元での「励起順位」から
たくさんの重い粒子が出る
松本重貴,瀬波大土
日本物理学会誌2008年4月号
解説記事「高次元理論と暗黒物質」より 48

4+n 次元のプランクスケールよりはるかに高いエネルギーで
の衝突では,ブラックホールができる可能性がある
 インパクトパラメータが Schwarzschild 半径以下の時

ブラックホールが地球を
吸い込む?
 ホーキング輻射によりすぐ
崩壊するので安全です
安定なミニブラックホールが
存在しない証拠もあります
http://www.kek.jp/ja/news/topics/2008/LHCsafety.html (日本語)
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究極の理論「超ひも理論」を完成させる 川合 光 (理研ニュース)より
http://www.riken.go.jp/r-world/info/release/news/2006/may/index.html
50


素粒子:クォーク,レプトン,力の媒介粒子
だけど,わかっていないことだらけ
 力の統一
 質量起源 (Higgs ?)
 ダークマター
 ダークエネルギー (つまり,重力関係)
 時空の構造(ExtraDimension)
 フレーバーの3世代構造
 今の理論体系,そもそも正しい??

ブレークスルーと期待:LHC実験
これまでのほぼ一桁上の衝突エネルギー
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