Transcript - 物理学の多様性と普遍性の探求拠点

21世紀COE
「物理学の普遍性と多様性の探求拠点」
市民講座
ニュートリノ
極微の粒子がなぜ面白い?
素粒子の質量と混合
京都大学大学院理学研究科
物理第二教室
300 ns/cc
西川公一郎
ビックバンから
1
質量
質量 ： 力を加えて物質を動かすとき、その動きにくさを表わす。
動きにくい時には質量が大きく、
動きやすい時には質量が小さい。
•素粒子の質量の規則は分っていない （与えられたもの）
特異なもの（特にニュートリノ）で調べる
•同じ属性を持ち、異なった質量を持つ複数存在する
宇宙を作るのに必要以上の粒子があるように見える
存在意義?
•同じ属性を持つものは混ざり合う
多様な現象の原因 宇宙の現在の形を説明したい
2
原子（現代科学のキーワード）
原子
原子核
核子
1. 原子は原子核と電子から成る
• 原子核は陽子と中性子
• 二種類のクォーク
• u-クォーク、d-クォーク
宇宙の物質はu,d クォークと
電子で出来ている
2．二種類の力
• 原子と原子核の大きさ
一万倍
• 二種類の力
強い力（相互作用） 1万倍
電磁力（相互作用） の強さ
3
物質を作る究極の粒子の種類
• 陽子は uud (2個の u-クォークと1個のd-クォーク）
• 中性子は udd で出来ている
• 陽子の電荷を１とすると (中性子の電荷は0）
– uud + uud = 2 = uuu udd =uuu+0
電荷 2/3 u
⇒ u の電荷は2/3 d は-1/3
電荷 -1/3 d
• 原子は中性 ⇒ 電子の電荷は-1
電荷 -1
e
• 高エネルギーで粒子を衝突させると重い粒子が生成
– u, d, e と同じ電荷を持つものが自然界には存在する
4
究極の物質の構成粒子：素粒子
• 電荷と分類 それぞれの電荷を持つものの中
で質量が軽い順番に並べると
軽
中
重
電荷＝2 / 3
u
c
t 強い力を感じる
電荷＝-1/3
d
s
b （原子核は小さい）
電荷＝-1
e
m
t
20世紀最大の発見の一つ 放射線
b 線の測定 ➱ ニュートリノの存在
存在意義は？
a, b, g
5
ニュートリノ
• 3種類の放射線: a, b, g の発見
• a, g は一定のエネルギーを持つ
Ea, g = Ei – Ef
• しかし b （電子）は連続的な分布
N
M
e
n
電子のエネルギー
• 電子と共に放出されるものがある
– 検出できない
電荷＝0 ne （電子ニュートリノ） 質量が小さい
この後ニュートリノには三種類あることが分かった （ne, nm, nt)
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究極の物質の構成粒子：素粒子
• 電荷と分類 それぞれの電荷を持つものの中
で質量が軽い順番に並べると
軽
中
重
1. 電荷＝2 / 3
u
c
t
2. 電荷＝-1/3
d
s
b
3. 電荷＝-1
e
m
t
4．電荷＝0
ne
nm
nt
質量は？
7
素粒子間に働く力
3種の力を伝達
素粒子間に働く力も素粒子に
因る
各クォークは三種類の「色」
強い力はこの「色」に働く
レプトンには「色」が無い
強い力を感じない
電磁力は電荷があれば感じる
8
ニュートリノは弱い力だけ感じる
e
u
ne
u
e
光子
（γ）
電荷
u
色
グルーオン
（G）
3つの基本的な力
電磁力
•粒子を変えない
（例 ： 電子が散乱される）
強い力
•粒子を変えない、色が変化する
（例 ： u →u )
e
W
弱い力
•粒子の種類を変化させる
•電荷を変える
A→A’
•（変えない反応もある）
d
9
素粒子の分類
弱い力によって素粒子間
の遷移が起こる
u
⇕
d
c
⇕
s
t
⇕
b
e
⇕
ne
m
⇕
nm
t
⇕
nt
• 電荷で分類 それぞれの中で
質量が軽い順番に並べると
軽
中
重
u
c
t
電荷＝2 / 3
d
s
b
電荷＝-1/3
e
m
t
電荷＝-1
n１
n2
n3
電荷＝0
10
弱い力による素粒子の遷移と質量
弱い力によって素粒子間
の遷移が起こる
u
⇕
d‘
c
⇕
s’
t
⇕
b’
e
⇕
ne
m
⇕
nm
t
⇕
nt
• 電荷で分類 それぞれの中で
質量が軽い順番に並べると
軽
中
重
u
c
t
電荷＝2 / 3
d
s
b
電荷＝-1/3
e
m
t
電荷＝-1
n1
n2
n3
電荷＝0
二つの粒子の組は異なる（分類オーバーラップがある）
11
弱い力での遷移による分類
質量で分類
m1
ne
m2
nm
nt
m3
12
特殊相対性理論
特殊相対性理論
（アインシュタイン、1905）100周年
E  mc
2
エネルギー（E) と質量（m）等価である
運動していると
２
２
E＝（mc２）
＋（pc）
(＝ 静止質量２＋運動量２ )
異なる質量(m１, m２）を持っている粒子は少しエネルギーが違う！
13
弱い力での遷移による分類
質量で分類
m1
ne
m2
nm
nt
m3
量子力学：不確定性原理 重ね合わせ原理
エネルギーは観測時間に反比例して不確定異なっ
たエネルギー状態は、ある時間共存できる
ある質量の状態が、
いろいろな反応をすることが出来る
粒子は波（波長程度の大きさで見たとき）である
異なったエネルギーの状態が共存すると干渉が起こる
14
波の干渉
10% 波長が違う波の干渉
3
2
1
0
-1
波長の違いが小さい
ほど干渉の波長は
長くなる
-2
-3
波長が違うとき
20% 20%
波長が違う波の干渉
3
2
1
0
-1
-2
-3
15
ニュートリノ振動
ミューオンニュートリノがm1 m2 の二つの成分があるとすると
２
２
E1＝（m1c２）
＋（pc）
２
２
E2＝（m2 c２）
＋（pc）
干渉
小さなm1, m2
エネルギーの違いも小
干渉 長波長 長距離必要
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大気ニュートリノ
２０ｋｍ
１４０００ｋｍ
17
14,000km
100km
地球の反対側から1万km
予想値の半分
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K2K実験（KEK to Kamioka）
スーパーカミオカンデ
250km
ニュートリノビーム
KEK
19
K2K Collaboration
University of Barcelona, Boston University, Chonnam National University,
Dongshin University, University of Geneva, Hiroshima University, ICRR,
Inst. for Nuclear Research Moscow, KEK, Kobe University, Korea
University, Kyoto University, Massachusetts Institute of Technology, Niigata
University, Okayama University, University of Rome "La Sapienza“, Saclay
(DSM-DAPNIA), Seoul National University, SUNY at Stony Brook, Tokyo
University of Science, Tohoku University, University of California Irvine,
University of Hawaii, University of Tokyo, University of Washington,
20
University of Valencia, Warsaw University
Bird’s Eye Neutrino Beam Line
21
300m from target
nm
SKへ
Fine Grained Detector
何も起こらないとしたときの
スーパーカミオカンデのニュートリノ
を予測
⇕
測定と比較
22
23
24
ニュートリノ事象の減少
エネルギー分布の変化
• 観測数=108
• 期待値= 151
波の干渉に相当
25
1012
質量
106
ニュートリノ質量は極端に小さい
1兆倍
1
他の素粒子と決定的に違う
属性がある?
将来の一方向
ニュートリノ
?
10-6
世代
26
混合
1：1完全混合
ne 成分小
OR
• ニュートリノ質量
は零ではない
60%
27
三つの波の干渉
二つの干渉が同時に起こると
波1.1
干渉1+干渉2
1.5
1
6
干渉2
0.5
0
-0.5
-1
3
4
2
2
1
-1.5
波１
0
0
-1
-2
-2
-4
-3
-6
1.5
1
0.5
0
-0.5
-1
干渉1-干渉2
干渉1
-1.5
3
3
2
波１２
1.5
1
2
0
1
-1
0
1
-2
0.5
-3
0
-0.5
-1
-1
-2
-3
-1.5
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•二つの干渉が同時に起こると
•その組み合わせが粒子と反粒子で異なる可能性
•粒子と反粒子で異なる振る舞いをする可能性
（粒子と反粒子が同じだけあれば、対消滅する）
•⇔ 最初エネルギーの塊であった宇宙から
現在の宇宙に物質が残っている
•二つの干渉が同時に起こるか?
•ニュートリノと反ニュートリノで異なる振動をするか?
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T2K experiment -2009
~1GeV nm beam
(100 of K2K)
Kamioka
K2Kの100倍の精度
nm→ne が( m3, m1) (m2 , m1)
を通して同時に起こるか？
Tokai 反ニュートリノとの比較
12 countries
~60 institutions
~180 collaborators
30
31
ニュートリノ物理学
エネルギー保存則の再検討
鏡の世界
クォークの実在
世代の数
素粒子の質量が12桁にわたるバラエティー
…….
?????
32
33