福井理科教育研究会
2019年6月12日

素粒子物理学—自然界の最も基本的な成り立ちについて—佐藤�勇二(福井大学)

自然界 (大きな世界から小さな世界まで)(100億) 2(100兆) 2[図はWikipediaより]100万1兆1/100億11/1000兆[m]興味深い新たな物理
ネ
りエ
ま・
始質の物
宙
黒宇
暗重波
力ルー
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どんどん小さな世界を見ていくと

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•••

[m]

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素粒子

興味深い新たな物理
ネ
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ま・
始質の物
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量色(青ピンコター
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粒素統の子粒 )

素 粒子
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生

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物論理

大きな世界と小さな世界はつながっている
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[m]

素粒子

宇宙の成り立ちを知る上でも重要

話の予定
1. 素粒子とは？
☆

素粒子を“見る”☆

どのような素粒子があるのか☆

素粒子に働く力

2. 素粒子物理学の研究

素粒子を“見る”

どのように素粒子を“見る”か●(光学)顕微鏡 : 光を当てて反応をキャッチ

原子, 原子核の大きさ

↝↝

●

↝

www.fancyparts.com

cf. 地球-太陽 :●素粒子は大きさを持たない（と考えられている）⇒ “加速器”：�高エネルギーの粒子をぶつけた反応を解析= 超高性能の“顕微鏡”

どのように素粒子を“見る”か●LHC (Large Hadron Collider)
CERN, ジュネーブ, スイス
陽子を光速の99.999999%まで加速
円周27km (山手線は34.5km)

cf. Web の誕生 ’90
www.physics.ucla.edu/lhc●KEKB

phys.org

KEK, つくば市
電子を光速の99.9999997% まで加速
円周約3kmwww2.kek.jp/accl/introKEKB/

どのような素粒子があるのか400020910.png 1,463×915 ピクセル

2015/10/01 22:58

現在知られている素粒子

ヒッグス粒子[ 図は http://www.u-tokyo.ac.jp/ja/utokyo-research/feature-stories/atlas2012/ より ]400020910.png 1,463×915 ピクセル

素粒子

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ヒッグス粒子物質をつくる粒子

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素粒子

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ヒッグス粒子●�“同じ構造”が3つ�：�3世代 �[小林-益川]�

http://www.afpbb.com, http://www.asahi.com

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クォーク

●

●

素粒子

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ヒッグス粒子

例えば、�陽子は uud , 中性子は udd

Wikipedia より“カラー(R,G,B)”の自由度有り [南部]http://kai-kuu.jugem.jp

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素粒子

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ヒッグス粒子

レプトン
電子

●

電子の仲間

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素粒子

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ヒッグス粒子

ニュートリノwww.yomiuri.co.jp, Wikipediaより●

超新星爆発時に放出 [ ニュートリノ天文学：小柴... ]●質量有 ・ ニュートリノ振動 [� スーパーカミオカンデ... ; 戸塚、梶田, ... ]400020910.png 1,463×915 ピクセル

素粒子

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ヒッグス粒子ゲージ粒子●

力を伝える�

ゲージ粒子

力が働くとは？

⇒� 力を媒介する粒子を通して、 素粒子どうしがエネルギー・運動量を交換すること

●

ゲージ粒子

●

●
●

●

[ 湯川 ]

Wikipedia より

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素粒子

ヒッグス粒子

ヒッグス粒子●物質の質量の起源
www.telegraph.co.uk●●

2012-2013 にかけて発見“自発的対称性の破れ” (cf. 水�⇒�氷)� ⇒� ヒッグス機構[南部][Englert, Higgs, Kibble, Guralnik, Hagen]400020910.png 1,463×915 ピクセル

素粒子

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ヒッグス粒子スピン�1/2

スピン�1

スピン�0

フェルミ粒子�: �スピン（内部角運動量）が半整数�
ボース粒子� : �スピンが整数�現代物理学ー相対論と量子論ー

物理学
現象

宇宙・天体

古典物理学

現代物理学

力学

物質生命

熱・統計力学

相対性理論

原子・素粒子電磁気学

量子力学

現代物理学: 相対性理論
ー 時間と空間の物理学 ー�[Einstein]●

Wikipedia より

時間と空間は一体（“混ざる”）
質量 m とエネルギー E は等価(光速)

http://discovermagazine.com/2015/april/
12-putting-relativity-to-the-test

エネルギー ⇒ㅤ時空の歪み ＝��重力●

時空のダイナミクス・宇宙論, GPS …
http://www.rutasandando.es/
como-funciona-sistema-posicionamiento-gps/

http://lon-don.xyz/topic/914/

現代物理学: 量子力学
ー ミクロな世界の物理学 ー�[Heisenberg, Schroedinger]

二重スリットWikipedia より電子
●

スクリーン

粒子と波動の二重性状態は重ね合わせ可能
各状態は確率的に実現される●

https://en.wikipedia.org/wiki/Double-slit_experiment#/media/File:Double-slit.svg

半導体、原子、素粒子…
http://bryantarchway.com/semiconductor-warfare/●

我々の直感と一見反するようなこともおこる
我々の直感はまだまだ“古典物理的”●

素朴な疑問も実は現代物理学で初めて答えられる

http://01.gatag.net/

・ なぜ原子はつぶれないか？
・ なぜ太陽は輝いているのか？
・ なぜ夜空は暗いのか？
..
.
素粒子物理（高エネルギー、ミクロ）は相対論・量子論に基づいて理解される「はらぺこあおむし」エリック・カール�偕成社素粒子に働く力
ー4つの力ー自然界の4つの力●

自然界には4つ（だけ）の力がある●

全ての（素粒子に関わる）現象はこれらによって引き起こされる
☆

重力 :☆

電磁気力 :
http://www.irasutoya.com/2015/10/blog-post_105.html
https://www.flickr.com/photos/amse/2965017272☆
☆

弱い力 : ベータ崩壊（中性子 → 陽子）など
https://en.wikipedia.org/wiki/Beta_decay

強い力 : 原子核内の核力など
http://milesmathis.com

自然界の4つの力●☆

電磁気力 :

光子が媒介
(電磁波）

☆

弱い力 :

W, Z粒子が媒介

☆

強い力 :

グルーオンが媒介☆

重力 :重力子（グラビトン; 未発見）が媒介

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ヒッグス粒子重力波直接観測 2015

重力波の直接観測 [2017年ノーベル賞]●

2015 年9月14日: 2つのブラックホールが合体する時に放出された重力波を観測

36MJ + 29MJ

62MJ + 3MJ[太陽質量]

http://www.argyllfreepress.com/wp-content/uploads/2015/04/Black-Hole-Mergers.jpg[重力波放出]・ 相対論では質量 M はエネルギー E = M c2 と等価
cf. 出力100 万kWの（大きな）発電所が1時間に出すエネルギー= 100 万kW時

410 8 kg●

重力波を通して新たな対象・現象を“見る”ことができる⇒ “重力波天文学”
元素の起源
ブラックホールの“形”
重力の量子効果?

http://astronomy.com/bonus/gravity

自然界の4つの力
量子力学

特殊相対論

一般相対論

素粒子の標準理論

｛

電磁気力
弱い力
強い力｝

大統一理論 ?
[未完成]

重力電弱統一理論(量子) 重力を含む素粒子の統一理論 ??

宇宙の歴史を遡る
宇宙年齢
強い力

標準理論

量子重力？

力の強さ

電磁気力

力
い弱論
理
一統
弱
電大統一理論？

重力エネルギー

https://universe-review.ca/I02-01-unify.jpg⇒���(量子) 重力を含む素粒子の統一理論 ??

素粒子物理学の研究

素粒子物理学の研究●

自然界の最も基本的な成り立ちを探求
素粒子とは？ 時空とは？ “真空”とは？�…
☆

標準理論からどのような物理が実際に導かれるのか？�

・ 宇宙の始まりは非常に小さい ⇒ 宇宙の成り立ち
・ ハドロン （クォークから成る粒子） の世界

http://kakudan.rcnp.osaka-u.ac.jp/jp/overview/world/QGP.html

素粒子物理学の研究●

自然界の最も基本的な成り立ちを探求
素粒子とは？ 時空とは？ “真空”とは？�…
☆

標準理論を超える新たな基本法則は？

・ 暗黒物質・エネルギー�
https://prod5.agileticketing.net/

・ 余剰次元�（世界は4次元？）[Arkani-Hamed et al; Randall-Sundrum]・ 超対称性(ボソン ⟷ フェルミオンで世界は同等？)

https://www.thecrimson.com/

力を媒介する粒子 物質を作る粒子ヒッグス粒子「ワープする宇宙 5次元時空の謎を解く」NHK出版

素粒子物理学の研究●

自然界の最も基本的な成り立ちを探求
素粒子とは？ 時空とは？ “真空”とは？�…
☆ 重力を含む統一的な理解は可能か？�

・ 非常に小さい時空では量子効果も重要 ⇒�量子重力・ 素粒子の統一理論[アインシュタイン以来の物理学の基本問題]

素粒子物理学の研究●

自然界の最も基本的な成り立ちを探求
素粒子とは？ 時空とは？ “真空”とは？�…
☆

標準理論からどのような物理が実際に導かれるのか？�

・ 宇宙の成り立ち
・ ハドロン （クォークから成る粒子） の世界☆

標準理論を超える新たな基本法則は？

・ 暗黒物質・エネルギー�
・ 余剰次元�（世界は4次元？）☆

重力を含む統一的な理解は可能か？�

..
.

Wikipedia より

弦理論— 量子重力を含む素粒子の統一理論に向けて —自然界の4つの力
量子力学

特殊相対論

一般相対論

素粒子の標準理論（ゲージ理論）
電磁気力（光子）
弱い力（W, Z ボソン）
強い力（グルーオン）

重力（グラビトン）(量子) 重力を含む素粒子の統一理論 ??

量子重力理論？
●

実験・観測からの要請？

●

特異点の問題 (一般相対性論)
・ まっとうな条件の下で、時空は“特異点”を持つ“世界の終わり”？
ブラックホール；�ビッグバン●

半古典論�[ 時空は古典論、物質は量子論 ]⇒⇒ブラックホールの蒸発 (ホーキング輻射)
量子力学の破綻？？

BH

（超）弦理論ー 重力の量子論を含む素粒子の統一理論 ー●

重力を量子化 (グラビトン)⇒ �物理量が ∞●●cf. ゲージ理論：�“繰り込み”∞ の原因は“点”粒子粒子から弦（ひも）へ��⇒����弦理論[ 朝永, ... ][ 南部, ... ]●Wikipedia より

弦理論●

弦の大きさが十分小さいと遠距離からは点粒子と区別できない膨らます

サイズ → ０10 35 mcf.�原子核 10 15 m

Wikipedia より●

閉弦 ： グラビトン （重力）, • • • [ 米谷, ... ]開弦 ： ゲージ粒子, • • •●無限個の振動モード ≈ 無限個の種類の粒子⇒�重力を含む統一理論

●

..
.

現実的な模型には超対称性 (ボソン ⟷ フェルミオン)が必要⇒�超弦理論（超）弦理論ー 重力の量子論を含む素粒子の統一理論 ー●

弦理論は量子重力を含む素粒子の統一理論の有望な候補●

宇宙の始まり、�“素粒子”の成り立ちを明らかにすると期待●

世界の主要研究機関で活発な研究が続いている

弦理論の周辺●

関連する分野に新鮮なアイデアを提供[余剰次元を持つ素粒子模型、ブレーン宇宙論、…]●

数学とも密接に関連
cf. E. Witten: 1990 フィールズ賞

素粒子弦理論宇宙・重力
https://www.aps.org/

数学

まとめ

まとめ
●

素粒子：
現在知られている自然界の最も基本的な構成要素●

素粒子物理学：
自然界の最も基本的な成り立ちを探求火

時空全体、宇宙の成り立ちを知る上でも大切空気

cf. 古代の人々の素朴な疑問

土水「The Gods of the Egyptians」 E. Budge；�https://ja.wikipedia.org/wiki/四元素