Transcript 10月29日
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 E Mc Et t E 2 Mc x ct c 2 Mc 2 Particle Adventure 吸引力？ Exchange force （交換力） 反発力？ 力の到達範囲 E Mc Et t E 2 Mc x ct c 2 Mc 2 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 e+ e- m+ 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 高エネルギー加速器研究機構 幅 淳二 レプトン クォーク 第三世代 tt - トップ タウ 第二世代 m c ミュー チャーム 第一世代 u e アップ 電子 反レプトン 反クォーク bnt タウ ボトム ニュートリノ sn m ミュー ストレンジ ニュートリノ dne ダウン 電子 ニュートリノ tt + bnt 反トップ 反タウ 反タウ 反ボトム + m c sn + u e dne ニュートリノ m 反ミュー 反ミュー 反ストレンジ 反チャーム ニュートリノ 反アップ 陽電子 反ダウン 反電子 ニュートリノ 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 ud 所では、反水素原 u 陽子 子の合成に成功し ている。 水素原子 u ud 反陽子 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。 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！ 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。 – 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？ ？？？？？？ 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 ud u u ud 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？ • 交信は電磁波（つまり • 電荷もまた相対的な概 光子）を使ってる。反宇 念だ。原子を回る電子 宙が相手でも区別はつ の電荷の＋／－を尋ね 「いい考えがある」 かない。 ても意味がない。 • 粒子と反粒子は相対的 素粒子物理学者が言った。 な概念だ。反宇宙では 「最近Ｂファクトリーで発見された 反粒子が「普通」の粒 現象を利用すればよい。」 子。「あなた方は反宇 宙ですか」と尋ねてても 意味はない。 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 LEP DANE SPEAR,BEPC KEKB, PEP-II、CESR TRISTAN 筑波山 日光 Belle KEKB Rings Linac 高エネ研 （KEK) ＫＥＫとＫＥＫＢ加速器 + K 粒子と反粒子：その違いをB中間 （－） 10万回に一度ほど p 子に探してみると・・・・・。 B e‐ すべての粒子と反粒子は 全く対等な関係 e+ B p+ K- 観測された信号の強さ 1150 950 （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。) < 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・・・・ 10-1 そもそも反宇宙は あるでしょうか？ He/He limit (95% C.L.) • 気球による大気圏上空 ヘリウム以上の （３７ｋｍ）で探す反宇宙 反原子核は見 からの反物質ー つかっていない。 （BESS）実験 Antihelium/helium flux ratio 10-2 Smoot et al. (1975) Evenson (1972) Aizu et al. (1961) Evenson (1972) 10-3 Smoot et al. (1975) Badhwar et al. (1978) Golden et al. (1997) 10-4 Buffington et al. (1981) 10-5 Ormes et al. (1997) BESS-95 T. Saeki et al. (1998) BESS-93~95 J. Alcaraz et al. (1999) AMS01 10-6 M. Sasaki (2000) BESS-93~98 10-7 -1 10 BESS-1993~2000 Preliminary 1 10 Rigidity (GV) 102 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。 • 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。 理存あ 由在な がにた あはの る 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 小林誠 益川敏英 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 （その後すべてのクォークが発見された） 祝 ノーベル賞受賞（２００８） いつノーベル賞でもおかしくない！（昨年までのスライド） クォークの崩壊（１９７３以前） 小林・益川の要請 t トップ c チャーム u アップ b ボトム s ストレンジ d ダウン CP非保存の説明 新たなクオークの 導入 J/yの発見 (1974) n p + e + n Kp + m + n 小林・益川行列（KM matrix） 小林益川クォーク混合行列 d ' VudVusVub d s' VcdVcsVcb s b' V V V b td ts tb 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 b1/3 W+ Vab a2/3 クオークの弱い相互作用基本形 Bファクトリーの２つのB中間子 系 出来た瞬間は、フレーバーの固有状態 0中間子 BB0中間子 d bb ダウン 反ダウン 反ボトム ボトム BB00中間子 中間子 b d 反ダウン ダウン 反ボトム ボトム B中間子振動イメージ BB００ ？ dbt B 0d Vtd t d W b Vtb W Vtb t Vtd bdt l b B 0d d + X Y z l - Bファクトリーの２つのB中間子 系 出来た瞬間は、フレーバーの固有状態 B0中間子 b d ダウン 反ボトム 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 A(Z) =(N異符号-N同符号)/(N異符号+N同符号) m = 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 (r, h) (0,0) (0,1) 再び中性B中間子のπK崩壊 直接的ＣＰの破れ 間接的ＣＰ対称性の破れ b B0 はじまりが Ｂ中間子？ それとも 反Ｂ中間子？ B0 d b t d d t b c c J/y s d KS d s KS c c J/y 現代の観測例 B1 B2 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 (4S) 10.58GeV/c2 B中間子とその反粒子が 短い寿命の間飛行した後 ペアとなって発生する。 ずっと軽いふつうの素粒子 に分解(崩壊）する。 ２００６年夏の時点での実験結果 0 tag B _ 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 md b f1u =l n(21b1)º dg +11 * VudfVub*=f(93 Vtd )º Vtb 2(a) -9 2 +38 f3 = (60 -24 )º f3(g) f1(b) f1 + f2Vcd+Vfcb* 3 = bcln +20 (184 -14 )º ユニタリー三角形の測定（２００７） f1 (22 1) +6 f2 (88-5 ) f1 + f2 + f3 (187 30) http://ckmfitter.in2p3.fr/ f3 (77 30) 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。