素粒⼦の世界を拓く
⾕本盛光
新潟大学

理学部

2022 11月10日
岡山理科大
1

もくじ
1 素粒子標準模型の前史
2 素粒子の標準模型
2.1 クォークとレプトン
2.2 力の統一
2.3 質量の生成
3 標準模型のなかのいくつかの不思議2

1 素粒⼦標準理論の前史
素粒子の標準模型

光子クォークニュートリノ

レプトン
電子

ヒッグス粒子20世紀初めは電⼦と陽⼦と光⼦の時代µ粒子の発見1937年 PR52(1937)1003 霧箱

Carl David Anderson, Seth Henry Neddermeyer

電子と同じ電荷、 電子より重い新粒子

Who ordered that ? I.I. Rabi

wikipedia

ニュートリノ（電子型）の発見 1953年 原⼦炉ストレンジネス (K, Λ)の発見 1953年 泡箱
中野, 西島, ゲルマン
Isidor Issac Rabi

μ型ニュートリノの発見 1962年

41964年 クォークモデル (u, d), s
1968年ころ “フレーバー”“カラー”1973年

黄金の時代 1964年
クォークモデルの誕生◎ ヒッグスの論⽂ (質量の起源）◎ 電⼦ー陽電⼦コライダー 最初のビーム衝突◎ CP対称性の破れの発⾒(Frascati)

1965年 朝永振⼀郎 ノーベル物理学賞受賞
ワインバーグ・サラム理論（レプトンのモデル）1967年
量⼦⾊⼒学の登場 1971年

小林・益川理論 1972年 （3世代）c チャーム ( J/Ψ) の発見 1974年 e+e- collider
1976年 e+e- collider
τ粒子の発見b ボトム (Υ) の発見
1977年 p beam- collider
1979年 e+e
グルーオンの発見_1983年 pp _collider
W粒子 Z粒子の発見
t トップの発見
1995年 pp collider
τ型ニュートリノの発見
ヒッグス粒子の発見

6

2000年
2012年

pp colider2 素粒⼦の標準模型
2.1 クォークとレプトン
電荷!
"#!

2/3-1/30$%&'-1世代第１質量に関係する量子数

tuc

第2第3bdste µ原子はより基本的な構成要素から成り立っている

陽電⼦ (e+)の発⾒

1932年

クォークとレプトンには反粒⼦が存在する
電⼦ はマイナスの荷電を持つ粒⼦（物質）
陽電⼦はプラスの荷電を持つ反粒⼦（反物質）
それ以外の性質は同じ
質量も同じ
PET （ポジトロン・エミッション・トモグラフィー）「陽電子放射断層撮影」
陽子 と 反陽子
ヘリウムと反ヘリウム
物質と反物質1907年-19８1年

湯川秀樹 1949年ノーベル賞受賞
9

朝永振⼀郎

1965年ノーベル賞受賞

水の分子
酸素原子

水素原子

原子核はなぜ壊れないのでしょうか？
（湯川秀樹博士の考え 1934年）
なぜ、プラスの電荷をもった陽⼦や電荷をもたない中性⼦が中⼼に集まって原⼦核という固い核をつくっていられるのでしょうか？
同じ電荷を持っていたら電気⼒で反発してバラバラになってしまうのではないか？
原⼦核がなぜバラバラにならな
いかというと、陽⼦や中性⼦が電気の⼒よりも、より強い⼒をおよぼし合って引き合っているからです。

原⼦核

この⼒を強い⼒（核⼒）と呼びました。

湯川博⼠の考え：
この強い⼒は、π（パイ）中間子という粒⼦を吸ったりはいたりすることによって⽣じる。 その質量を予⾔した。
１９４７年にパイ中間子が予想通りの質量で発見され、２年後に博士は日本で初めてのノーベル物理学賞を受賞しました。

現代の素粒子はクォーク

陽子とレプトンクォークとレプトン :現在の「素粒子」

陽⼦や中性⼦はもっと⼩さく分割できます。
陽⼦や中性⼦は三つのクォークでつくられています。
陽子(u u d)

中性子(u d d)

二種類のクォーク
u （電荷 +2/3）, d （電荷 –1/3）注）電⼦の電荷は -1

第⼀世代のクォーク

クォークモデル
グルーオン陽⼦

クォークモデル
重粒⼦（陽⼦）は 三個のクォーク
中間⼦（π） は クォークと反クォーク

陽⼦と陽⼦の衝突加算性←Additivity

中間⼦と陽⼦の衝突

←例
陽⼦ー陽⼦

衝突断⾯積

パイ中間⼦ー陽⼦

3×3

衝突断⾯積

⾼エネルギーでの衝突確率は

2×3
3：2

40 mb : 23 mb @ PLab=100 GeV

可算性 ⼒学・構造の詳細によらない定比例の法則、 倍数比例の法則

クォークモデル
理論の威⼒対称性
U(3) Full Symmetry
３種類のクォーク
p, n, λp, n, λ を⼊れ替えをしても強い相互作⽤の現象は変わらない。
P(ppn) N(pnn,) Λ(pnλ) …

池⽥・⼤貫・⼩川 IOO 理論

1959年

SU(3) 対称性による粒⼦の分類- 中間⼦ ８+1 (u, d, s + u, d, s)
クォーク

反クォーク

SU(3) 対称性による粒⼦の分類
重粒⼦８重項 三つのクォークで構成(u, d, s)SU(3) 対称性による粒⼦の分類
重粒⼦10重項 (u, d, s)sss

第⼆世代のクォーク三番⽬のクォーク ｓ（ストレンジクォーク）の発⾒

1953年
四番⽬のクォーク ｃ (チャームクォーク)の発⾒

１９７４年
第三世代のクォーク５番⽬のクォーク

ｂ（ボトム）は１９７７年、６番⽬のクォークｔ（トップ）は１９９５年に発⾒

⼩林ー益川は１９７２年に６つのクォークを予⾔した。

複合系
電⼦は分割出来るか？
クォークはさらに分割できるか？
分割アイデアの失敗！

物質の階層性の概念は単純ではない

2.2 ⼒の統⼀
電気と磁気の統⼀
エールステッドの発⾒ 1820年
⼒は統⼀される!（カント: ⾃然科学の形⽽上学的原理）
当時、クーロン、アンペール等は電気と磁気は無関係と考えている。

ガルバニー電池の開発

やがて

マックスウエルの登場

自然界の４っの力の正体
電磁気力(0.01)

弱い力(10-5)

強い力（1）
重力(10-40)

ɤ(photon)
W + W - Z0

g (gluon)
graviton ?

素粒⼦の標準理論の理解のためにβ崩壊の理論

1934年

フェルミ

β線

中性⼦

４体フェルミ相互作用

標準模型

反ニュートリノ陽⼦

β崩壊を起こす力は重いW 粒子の伝播である。
陽⼦の90倍の質量28電磁気⼒と弱い相互作⽤の統⼀
電磁気と弱い相互作用（ベータ崩壊）はあまりにも違いすぎる
弱い相互作用にはパリティの破れ（V-A)型、CP対称性の破れがある。
電磁気の相互作用は パリティ保存 V型

Partial-symmetries of weak interactions
Glashow

1961年

S. Weinberg

対称性
A. SalamSU(2)×U(1)“A Model of Leptons”.

1967年

⾃発的な対称称性の破れ
1968年

電磁気⼒と弱い相互作⽤の統⼀

SU(2) × U(1)
SU(N)には N2 -1 種類の⼒を媒介する粒⼦が現れる。

W+質量

W-80GeVZ0

γ90GeV0強い相互作⽤

SU(3)
量⼦⾊⼒学
グルーオン（質量ゼロ）が⼒を媒介する。

対称性は破れない！

⼤統⼀理論への試み
⼒はエネルギーによって変化する。
場の理論の成果！

⾃然界の４つの⼒は統⼀されるか？

まず、重⼒は除外して考える。

電磁気力(0.01)

弱い力(10-5)

強い力（1）

重力(10-40)

2 電
⼒弱の理
統⼀論

光⼦は質量をもたない
W, Z 粒⼦は⼤きな質量をもつ粒子に質量を与えるメカニズムが必要：
ヒッグス機構2.3 質量の⽣成
南部陽⼀郎
⾃発的対称性の破れ
Dynamical Model of Elementary Particles
Based on an Analogy with Superconductivity 1.
Yoichiro Nambu,
Physical Review

G. Jona-Lasinio
122巻⾴

345-358⾴

1961年

⾃発的対称性の破れワインボトル

真空はエネルギーが⼀番⼩さくなるところ質量の起源を検証する¨

宇宙の歴史を過去にさかのぼると…
素粒子はゼロ質量だった。

¨

宇宙の温度が約1,000兆℃（1015K≒100GeV）の頃、“ヒッグス場”の真空凝縮が起こった。
質量の生成！

⾃発的対称性の破れ⇒⇒の真空の相転移によりスカラー場が真空期待値 を持つスカラー場＝ヒッグス粒⼦とゲージ場と相互作⽤（ゲージ粒⼦に質量）物質場との相互作⽤（粒⼦に質量）宇宙の歴史を過去にさかのぼると…
素粒⼦はゼロ質量だった。
宇宙の温度が約1,000兆℃（1015K≒100GeV）の頃、“ヒッグス場”の真空凝縮が起こった。
質量の⽣成！

①

大勢が談笑しているパーティー会

場…
隣どうしで真空を満たすヒッグス場のたとえ(David Miller, UC London)

② そこに、有名人登場……

光速でうごく素粒子のたとえ
2012/12/23

ヒッグスの発見は何を意味するか40

③ 人の群れに囲まれて、動きにくくなる。

素粒子が質量を獲得したことに対応。
2012/12/23

ヒッグスの発見は何を意味するか41

④

有名人がいなくても、人のざわめきが会場を伝播することがある。

これがヒッグス粒子！
2012/12/23

ヒッグスの発見は何を意味するか

42

質量の起源を検証する

43

LHC実験
陽子

Hadron Collider）（Large陽子

E = 7TeV = 7 ×10 eV
12

地下１００ｍ新しい物理への期待

1周２７ｋｍ2012/12/23

ヒッグスの発見は何を意味するか44ヒッグス粒⼦の発⾒45

3 標準模型のなかのいくつかの不思議◇ CP対称性の破れ
CP対称性とは：粒⼦と反粒⼦を⼊れ替えた世界の物理法則は、ちょうど我々の世界を鏡で⾒た時と同じになっているはず。

粒⼦と反粒⼦を⼊れ替えても物理法則は同じ
1964年中性Ｋ中間⼦の崩壊が、わずかにCP対称性を破っていることが発⾒された (クォークのCP対称性）

CP対称性の破れ
1964年、「奇妙な」粒子の一つである中性Ｋ中間子の崩壊が、わずかにCP保存則を破っていることが発見され、大きな驚きを与えた。
C変換：

電荷の入れ替え＋ ⇔ －P変換：
左右の入れ替えｘ ⇔ －ｘCP変換：この二つの入れ替えを続けておこなう。
粒⼦と反粒⼦の⼊れ替え
CP対称性：粒⼦と反粒⼦を⼊れ替えても物理法則は同じ

CP対称性がある場合の中性K中間⼦の崩壊
粒⼦反粒⼦の⼊れ替え

CPは±1 の積で与えられる
ところが １９６４年

おどろくべき実験事実が報告された

CP対称性の破れ
クローニンとフィッチはその功績により1980年にノーベル物理学賞を受賞した。

⼩林・益川の理論 1973年
CP対称性の破れ
第⼀世代

第⼆世代

第三世代

49

世代問題

物質の基本粒子

私たちの世界は原⼦でできている。
原⼦は陽⼦と中性⼦と電⼦でできている。

!
"#!

つまり、u-クォーク , d-クォーク ,があれば⼗分である。

$%
&'

電⼦

ニュートリノは余分か？
何の存在意義がある？
おまけに第⼀セットのコピーが⼆組ある。まったく余分ではないか？

この謎は世代問題と呼ばれる

Belle実験による小林益川理論の実証
１９９９年～２０１０年

51

Mt. Tsukuba
KEKB

Belle

3km

Linac
KEKB 加速器• 非対称 e+-e− 衝突型加速器(3.5 GeV + 8 GeV)
• 周長 3kml 最大電流：陽電子2.0A, 電子1.4A• 世界最高のルミノシティ（衝突頻度、データ量）

KEKB加速器によって生成された素粒子事象をBelle検出器によって捉える。

ニュートリノを捕まえる
J-PARC
⼤強度陽⼦加速器施設 J-PARC( Japan Proton Accelerator Research Complex )

53

54

宇宙線と大気の原子核の衝突→２次宇宙線

宇宙線
大気中からくるニュートリノ
55

宇宙はニュートリノの海
太陽ニュートリノ ６４０億個 /毎秒・cm2
地球ニュートリノ（U２３８） １億個 /毎秒・cm2
大気ニュートリノ
銀河ニュートリノ
原始ニュートリノ ９兆個 /毎秒・cm256

・太陽や地球もすり抜けてくる・物質とほとんど反応しない
電気量 ＝ ０
・宇宙を１００億光年も衝突しない飛行相互作用が少ない
・光に近い速さで飛行する。

そのため検出が非常に困難であった
57

東大宇宙線研究所
岐阜県神岡町茂住
鉱山を利用して地下１０００メートルに設置
池の山 １３００メートル

１０００メートル
カミオカンデ
高さ１４メートル
直径１６メートル
58

３千トンの超純水59

小柴先生 ノーベル賞の記者会見

スーパーカミオカンデ
60

５万トン超純水タンク（地下１０００ｍ）

61

水をいれるタンクの中62

スーパーカミオカンデ

63水の中でほのかな光を出す
→
ンコフ光
光センサー

電子またはミューオン.
/01
2
364光

粒子+走(-電気#帯%&'(チェレニュートリノ

超純水
チェレンコフ光検出されたチェレンコフ光の例
65

ニュートリノ振動の発見
梶田隆章 1998年

ニュートリノに質量がある ！
量⼦⼒学

Ringberg城 ドイツ (SM beyond 99) 1999, 06, 6-1267

68

スーパーカミオカンデでの検出法

ニュートリノが水を蹴飛ばした時にでるわずかな光（チェレンコフ光）を１万１千本の光センサーで検出する。

ハイパーカミオカンデ
直径 68m ⾼さ71m
2027年観測開始

70(スーパーカミオカンデ）

39m x 42 m

標準モデルは⼀部の隙もないようだ！
しかしダークマター（暗⿊物質）とはなにか？

宇宙の暗⿊物質
¨

光（電磁波）で観測されない¤ 暗すぎる（ガス、天体、ブラックホール、、？）¤ そもそも電磁波に作⽤しない物質¤ 天体観測は何らかの光（電磁波）を⾒る

72

F. Zwicky 1933
かみのけ座銀河団内の銀河の速度

73

アンドロメダ銀河（M31）の回転曲線
Image courtesy of M. Roberts.

ヴェラ・ルービン
アンドロメダ銀河の回転曲線(渦巻銀河)

見えない物質がある！
ダークマター（暗黒物質）

速さ中心からの距離75

さんかく座銀河の回転曲線

76

ハッブル宇宙望遠鏡
がとらえた
暗⿊物質の輪外側の明るい部分

ＮＡＳＡ提供暗⿊物質は素粒⼦か？
ＬＨＣ
⼤ハドロン衝突加速器

スイス ジュネーブ

LEP
８.６Ｋｍ
ＳＰＳ

⾃然界のすべてはつながっている
はじめにエネルギーがあった
ビッグバン（大爆発）で宇宙ができた。
そりゅうし⇒ 素粒子の誕生 ⇒ 原子核の誕生⇒ 原子の誕生⇒ 分子の誕生⇒ 暗黒星雲⇒ 星、 銀河の誕生⇒ 地球の誕生⇒地球⽣命の誕⽣ウロボロスの蛇
80

ニュートリノはウロボロスの蛇を駆け抜ける

81

量子もつれ

2022年ノーベル物理学賞

ミネルバの知恵とともに

⾃発的対称性の破れ
ヒッグスポテンシャル
Φは複素スカーラー場
μ2 >0 の場合は自明
ポテンシャルの最小値（真空）は Φ=0で実現する。

μ2 < 0 とすると最小値は|Φ|= - μ2/λ=v で実現する

22mH = 2λv

mW = g v

天の川銀河中心のブラックホールの画像 2022 May
84

イベント・ホライズン・テレスコープ（EHT）・コラボレーション