加速器で分かる
宇宙の歴史
筑波大学理工学群物理学類
中條 達也
久慈高校・出張講義
２０１３年１１月１５日

自己紹介• 中條 達也（ちゅうじょう たつや）• 筑波大学 理工学群 物理学類 講師• 専門：高エネルギー原子核物理学（実験物理）• 現在やっていること：• 国際共同実験 ALICE （CERN, LHC 加速器・スイス）• 国際共同実験 PHENIX（BNL, RHIC 加速器・米国）• ２０００年 筑波大学 博士（理学）号取得, BNL 研究員、バンダービルト大学研究員を経て、２００５年より現職• ALICE 日本グループの outreach （広報）担当

講演スライド (PDF) のダウンロードはこちらからhttps://dl.dropboxusercontent.com/u/
70486402/2013/kuji/
kuji̲koukou̲lec2013̲v02.pdf

はじめに2013年ノーベル物理学賞

F. アングレール

最近のニュースから（その１）

P. ヒッグス

受賞理由：「物質の質量の起源に関する理論的発見」（1964年に発表された理論）

最近のニュースから（その２）

ヒッグス粒子の発見(2012.7)
LHC 加速器(CERN)ATLAS 実験で観測された
ヒッグス粒子の候補

国際リニアコライダー ILC
北上山地が候補地に (2013.8)

最近のニュースから（その３）

全長 31 km, 総額 8,300 億円
経済効果 4 兆円とも！

最近のニュースから（その４）

2008年10月7日
朝日新聞号外http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2008/

2

KEKB 加速器, Belle 実験（KEK, つくば）小林・益川理論が予言する
CCPP  対称性の破れを発見  ((BBeellllee))この講義のテーマ• どうやら加速器は科学の進歩に役立っている様だ。
• 加速器で分かる科学（＝物理学）とは、どの様な世界なのか？

• 素粒子・原子核の世界（＝ミクロ）から、宇宙（＝マクロ）の歴史がなぜ分かるのか、どこまで分かってきたのか？

• そもそも「物理学」とはどんな学問なのか？

加速器で分かる宇宙の歴史
第１部

原子核・素粒子物理学と宇宙

1. イントロダクション
2. ビックバン
3. 極初期宇宙第２部

加速器実験で迫る初期宇宙

4. 特殊相対性理論の考え方
5. 加速器実験で「クォークスープ」をつくる

１. イントロダクション
物質の階層と現代物理学

国立天文台４次元デジタル宇宙プロジェクト MITAKA
http://4d2u.nao.ac.jp/html/program/mitaka/index.html
14

国立天文台４次元デジタル宇宙プロジェクト MITAKA

15

http://4d2u.nao.ac.jp/html/program/mitaka/index.html

１点１点が銀河.
銀河は銀河団を形成し、さらに超銀河団を形成.
その隙間に何もない空間、
泡（ボイド）をもつ＝「宇宙の大規模構造」（遠方の宇宙 →16

宇宙初期を見ている）

> 1026m

超遠方銀河
ハッブル望遠鏡17

> 1026 m~ 1021m

アンドロメダ銀河18

> 1026 m
1021 m~ 1011m

太陽、地球、月19

> 1026 m
1021 m1011 m

102 m

アマリン

20

> 1026 m
1021 m1011 m
102 m

1.70 m

人の大きさ

21

> 1026 m
1021 m1011 m102 m

10-5 m1.70 m神経細胞

22

> 1026 m
1021 m1011 m
102 m
1,70 m10-5 m10-8 mDNA

分子23

> 1026 m
1021 m1011 m
102 m
1,70 m10-10 m10-5 m10-8 m水素原子24

> 1026 m
1021 m1011 m
102 m
1,70 m

10-15 m10-5 m10-8 m10-10 m陽子

25

> 1026 m
1021 m1011 m
102 m
1,70 m

10-18 m10-5 m10-8 m10-10 m
10-15 mクォーク

26

ウロボロスの蛇（ギリシャ神話）
物理学の世界
異なる階層（スケール）が互いに関連し、つながっている

宇宙 (1028m)⇅
素粒子(10-18m)
その差、実に ４６桁！
http://www-yukawa.phys.sci.osaka-u.ac.jp/SAP/?SAP%2FProgram%2F1127• ではまず、宇宙のはじまり「ビックバン」
についてみてみよう！

２. ビックバン
その証拠と意味一般相対性理論 (1915-1916)
アインシュタイン方程式
重力場の方程式
時空のゆがみと力（エネルギー）を記述

30

一般相対性理論 (1915-1916)
アインシュタイン方程式
重力場の方程式
時空のゆがみと力（エネルギー）を記述
リッチ・テンソル（時空の曲率）

円周率

計量テンソル光速

スカラー曲率（重力ポテンシャル）

時空のゆがみ具合を表わす

重力定数

エネルギー
運動量テンソル
物質が持っている
エネルギーを表わす

31

ビックバンモデルの始まり• １９２０年後半、一般相対性理論の発表後、その帰結として、 ルメートル（ベルギーの物理学者）が宇宙膨張モデル（ビックバン仮説）を提唱。

• しかしアインシュタインが宇宙膨張仮説を否定。「宇宙項」の導入（宇宙膨張の証拠が見つかった後、その過ちを悔いたことは有名）。

ジョージ・ルメートル（ベルギー）

証拠１）ハッブルの法則
E. ハッブル（米）: 1929年、銀河後退の観測•宇宙膨張の直接的証拠•音のドップラー効果：
近づいてくる音：高い
遠ざかる音：低い•光のドップラー効果：
遠ざかる銀河のスペクトル
赤い方（長波長側）にシフト
ロサンゼルス郊外のウィルソン山天文台の100 inch フッカー望遠鏡
銀河を１つ１つ、丹念に調べた。

＝赤方偏移
遠方の銀河ほど大きく赤方シフトしていることを発見

スペクトルとは？
様々な光を分光器（プリズム）にかけてみる
連続スペクトル

鉄の輝線スペクトル

Na D線輝線スペクトル赤方偏移
太陽の光のスペクトル（左）と遠方銀河のスペクトル（右）を比較。
遠方銀がの吸収線が赤い方にシフトしている�＝�「赤方偏移」

太陽光

宇宙膨張：
•
遠方銀河

遠方の銀河ほど早い速度で観測者から遠ざかっている。

ハッブル膨張のイメージ（ぶどうパン）• 宇宙が大爆発するイメージは間違い。
• 空間自体（いれもの）が等方
的に押し広げられるイメージ• 銀河（=干しぶどう）の大き
さはそのままで、遠い銀河（干しぶどう）ほど早く遠ざかる速度
ハッブルが1929年に発表した論文のオリジナルプロット（現在では銀河までの距離の誤差が大きく、かつ銀河間の距離が約１／７だったことが分かっている）

距離
ハッブルの法則v = H0 r
銀河の後退速度 = 定数

距離ビックバンの証拠：その１2001）
現在の観測例（ハッブル宇宙望遠鏡,• v = H0r,

‒ H0 = 100 h km s-1 Mpc(Hubble 定数, h は観測の不定性を表す)• ハッブル宇宙望遠鏡によるハッブル定数の決定

W.L. Freedman et al., Astrophys. J 553, (2001) 47,
                  * 1 pc = 3.26 光年, 1 Mpc = 106 pc = 3.086

1022 m‒ 400 Mpc までの銀河、超新星の速度と位置の関係
１３億光年までの銀河、を測定‒ H0 超新星を測定= 65 -79 km s-1
Mpc-1.
‒ h = 0.72 ±↓0.08.

ハッブルの法則に従う
6(実は加速度膨張をしていることも分かっている,
2011年のノーベル賞)

証拠２）宇宙背景放射
１９６０年代•••→Robert Wilson & Armo Penzias（ベル研究所）

宇宙マイクロ波背景放射の観測 (λ = mm - m)銀河が発する電波を観測する目的で始めた。
その中に「雑音」があら
ゆる方向から、同じ強度でやってきていることを発見！

温度：約３KA. ペンジアス

R. W. ウイルソン（右）１９７８年、宇宙マイクロ波背景放射の発見でノーベル物理学賞を受賞

アンテナについた鳥の糞の除去を丹念に行った→ノーベル賞！
余談：アナログテレビのホワイトノイズ（赤ちゃんの泣き止み）= 3K の宇宙背景放射

宇宙背景放射は一様ではなく、揺らいでいた！
(NASA の衛星 WMAP, 2001-2010)• WMAP 衛星による温度揺らぎ測定

欧州衛星「プランク」による宇宙マイクロ波背景放射（CMB）の全天マップ(2013)

http://www.nasa.gov/mission̲pages/planck/news/planck20130321.html

COBE (1989-1992)

WMAP (2001-2010)

PLANCK (2009 - 2013)

宇宙の組成 (PLANCK, 2013)
http://www.nasa.gov/mission̲pages/planck/news/planck20130321.html

ダークエネルギー、
ダークマターの
正体は未だ不明↓
２１世紀の物理学の重要テーマの１つ
宇宙年齢：１３８億年

「ビックバン」の意味するところ• ビックバンは確かに存在した。
• （証拠）ハッブルの法則、背景放射• 背景放射の揺らぎ測定によると、宇宙年齢は１３８億年• つまり１３８億年前に、全てはある１点から始まったということ。

• 全宇宙のエネルギーが１点に！
• 「火の玉宇宙」は膨張により冷え、現在に至る。
• 宇宙初期→高エネルギー物理学→素粒子の世界へひと休み

物理屋（＝物理学者）という職業とは？

物理屋とは？
• 理論屋（理論物理学者）と実験屋（実験物理学者）がいる。
• アインシュタインやヒッグス氏、小林・益川両氏、南部氏は理論屋• 小柴氏（ニュートリノ実験）などは実験屋• 物理屋（あるいは研究者）に共通する性格（私見含む）• 面白い現象や、新しい説明できない現象が大好き。
• つまり実験屋、理論屋ともに、何か新しい発見を求めている！
• 研究者一般に共通することであるが、緻密さ、論理的思考がもとめられる。

• 実験屋は、体力勝負（根気）という側面も。

３. 極初期宇宙
ビックバンから t = 0〜10-36 秒後の世界

宇宙の開闢 「無」(t = 0 秒)
• 「無」から宇宙が誕生したという仮説。
• 提唱者：A. ビレンキン（ウクライナの物理学者）• 「無」＝ 空間も時間もない。
• 「真空のエネルギー」：正のエネルギーと負のエネルギーの間を揺らいでいる。
• あるとき「正のエネルギー」が勝ったとき、エネルギーの固まりが一気に生まれアレキサンダー・ビレンキン

る。これが宇宙の誕生である、という仮説。その後、宇宙はインフレーション的な急激宇宙膨張する。

• インフレーションが終わると、真空エネルギーは熱エネルギーに転化し、火の玉宇宙になる。

①

真空のエネルギーの揺らぎ

正のエネルギー
負のエネルギー②

ある確率で正のエネル
ギーの方へ膨張宇宙③

インフレーション宇宙膨張
で宇宙が生まれる

ポコッ！

インフレーション期 (t = 10-36 〜10-11秒)• インフレーション期は「火の玉」宇宙状態。
• 現代の理論によれば、このインフレーション
期に「素粒子」が誕生した。

• 素粒子とは、大きさがない（測定できない）
粒子。

• 温度が冷えて行くに従って、宇宙が相転移していった。素粒子に質量が生まれ、力が生まれる。

• 佐藤勝彦博士、グース博士（アメリカ）が独立に提唱。

４つの力とその媒介粒子
1
10-3• 重力（グラビトン）• 電磁気力（光子）• 強い相互作用（グルーオン）• 弱い相互作用（Z, W ボソン）

10-5

10-38

0,5

H+H⇨D+e++ν

クォーク

質量 0-105 ?

¯n⇨p+e-+ν

3

103

105

6

100

103

0.5

100

103

10-6

10-6

10-6

0

104

0

104

ゲージ粒子（力）レプトン
54

ゲージ粒子の交換によって力が生まれる斥力（＝反発力）
55

ゲージ粒子の交換によって力が生まれる

引力作用
56

宇宙の進化と４つの力
大統一

強い相互作用弱い相互作用

宇宙の誕生
超統一

電弱統一

電磁気力

重力

宇宙の相転移素粒子に質量が生まれる（＝素粒子に個性が生まれる）

t=0 sec 10-44 sec 10-36 sec 10-11 sec

質量とは何か？
• 「もの」には重さがある。
• 無重力状態の宇宙空間でも、物体がもつ固有の質量は変わらない。

• すなわち質量とは、物体が本来もつ「動かしにくさ」（＝慣性）• では、物体（例えば陽子）の質量は何で決まっているか？

ヒッグス（らしき）粒子の発見 (2012.7)

CERN での記者会見の様子(2012.7)

ヒッグス場による質量獲得• ビックバン直後は、素粒子は質量をもたず、高速で飛び回っていた。

• 宇宙初期の火の玉で、クォーク、レプトン、ゲージ粒子などの素粒子ができた。

• 「ヒッグス粒子」（＝ヒッグス場）もできた素粒子の１つ。空間がヒッグス粒子で埋め尽くされた。

• 素粒子の「質量」は、ヒッグス場との相互作用の大きさで決まった。

• 例えば u （アップ）クォークは 3(MeV/c2), t （トップ）クォークは105 (MeV/c2), 光（フォトン）は 0（相互作用しない）という具合に。

陽子と中性子
d

u
u

d

u
d

陽子 (uud)< 中性子 (udd)
質量：938.2 (MeV/c2) 質量：939.5 (MeV/c2)• 陽子と中性子の質量差 〜 u （アップ）クォー
クと d （ダウン）クォークの質量差、ほんのわず
か (数MeV/c2)

質量の獲得のなぞ

ヒッグス機構によって獲得された質量＝陽子の質量の１％ にすぎない！
（木の玉を３つくっつけたら、鉄の玉になった）
62

質量の源は？
• では残りの９９％の陽子の質量は誰がになっているのか？

• まずは陽子を構成している素粒子、「クォーク」の間に働いている「強い相互作用」を考えてみよう。

63

F=kR1
q

q

64

バネ常数：
フックの法則F=kR2qq

65

F=kr1
q

F=kr2
q

q

66

q

質問です. 重いバネはどっち？
A. 自然長のばね
B. 縮んだばね•✦

ヒント：「エネルギー」として考える。

✦「縮んだバネ」＝力学的エネルギーを蓄えた状態。

E = mc2 :エネルギーと質量は等価。

• 従って「 B. 縮んだバネ」の方が「重い」
67

「強い相互作用」の不思議な性質• クォークやその力の媒介粒子であるグルー
オンは、決して単体では存在できない。

• 「クォークの閉じ込め」機構という。
• 強い相互作用の特徴は、近距離で弱い力、遠距離で強い力が働く。

クォークの閉じ込めと「質量」• 裸のクォーク自体がもつ質量は、陽子質量の１％程度だが、陽子がもつ「クォークの閉じ込め」のため、エネルギーが高い状態、すなわち質量が重くなっている、と考える事ができる。

• 実験的にどうやって確かめるか？

質量の謎を解き明かすには？
• ビックバンの宇宙の初期状態にまで戻る• どれくらいまで戻るか→ ビックバンから
1/1,000,000 秒後、温度は約１兆度
Pressure• そこではクォークやグルーオンが閉じ込めを破り、自由な状態として存在している。

• 残りの99％の質量は、クォークから陽子になるところで生まれたから、この状態が分かれば、質量獲得の謎に迫れることになる。

• この状態のことを「クォーク・グルーオン
プラズマ」（QGP）という

Heat

QGP

宇宙の進化と４つの力
大統一

強い相互作用弱い相互作用

ビックバン
超統一

電弱統一

電磁気力

重力

t=0

10-44 秒後 10-36 秒後 10-11 秒後 10-6 秒後= 1/1,000,000 秒後、温度は約１兆度の状態の
火の玉宇宙

クォーク
グルーオン
プラズマ（QGP）
t = 10-6 秒後
温度：２兆度 K

空間

72

時間

4. ２０分でわかる（特殊）相対性理論の考え方

奇跡の年（１９０５年）• アルバート・アインシュタイン（1878-1955）、２６歳の年• 1905年3月：光量子仮説（光電効果、ノーベル賞の受賞理由）• 1905年4月：分子の大きさの新しい決定方法（博士学位論文）• 1905年5月：ブラウン運動の理論（液体中の微粒子の不規則運動）• 1905年6月：特殊相対性理論「運動している物体の電気力学」• 1905年9月：「E = mc 」の論文
• (1916年 一般相対性理論)
2特殊相対性理論とは？
• 「特殊」：等速直線運動をしている系のみで成り立つ• 一般相対性理論「重力の理論」• 「相対性」：空間や時間は絶対的なものではなく、立場によって変わりうる相対的なものである、という「理論」
特殊相対性理論＝光の理論

速度の合成：車の例• 近づいてくる車は早く見えるX✦ V=X+W• 後ろからくる車は遅く見えるX✦ V=X-W• では、光の場合はどうだろうか？

W

W

マイケルソン・モーレの実験
地球の公転
の向き

• 光にも車と同様に、速度合成則がなりたつならば、Aの光とBの光の速度に違いが見えるはずだ。

光A

光B• なぜなら、地球は太陽の周りを猛スピード (約 30 km/s)で公転しているから。

マイケルソン干渉計

http://homepage2.nifty.com/einstein/contents/relativity/contents/
column2.html

実験事実• 様々な実験を行った結果、どの方角からきても、光速は常に一定。

• 秒速３０万 kmで不変である。
地球の公転
の向き

アインシュタインの考え方
それならば、光の速度は変わらないという実験事実を受け止めよう。

特殊相対性理論、
２つの柱• その１：光の速さは誰からみても変わらな
い「光速度不変の原理」• その２：等速直線運動をしている系で、物理法則は変わらない「相対性原理」

相対性とは？
• 天動説と地動説の論争 (１７世紀）

ガリレオ・ガリレイ(Galileo Galilei)
1562-1642

天動説派の主張：
もし地球が動いているのなら、玉を塔から落として、真下に落ちるのはおかしい。地球が公転してしているのなら、ずれて落ちるはずだ！
地動説はおかしいよ。
？

ガリレオの主張• いやいや、動いている船のマス
トから玉を落として見なさい。
動いている船の上から見たら • 船の上から見ている人は、玉は
ボールはまっすぐ落ちる
真下に落ちます。
• 一方、陸の人は玉は放物線を描
いて落ちます。
• だから玉が真下に落ちないのは、地球が動いていないという証拠にはなりませんよ。
陸から見たら、ボール
放物線を描いて落ちるx

ガリレイの相対性理論とアインシュタインの相対性理論
y
S系

yʼ
Sʼ系
z

x

速度 v

zʼ

xʼ

• １７世紀、ガリレイは物体の運動法則は慣性系で不変だとした。
• 慣性系とは互いに等速直線運動をしている系のこと。

x

ガリレイの相対性理論とアインシュタインの相対性理論
y
S系

yʼ
Sʼ系
光速 c
z

x

速度 v
光速 c

zʼ

xʼ

• アインシュタインは２０世紀はじめ、これを光に応用した• 動いていても静止していても「光の物理法則」は変わらないとして物理法則を再構築• （しかし、これを受け入れると、時間や空間が絶対ではなくなってしまう...）下から上まで
1秒かかる

光速 c
で1秒

光時計

• 円柱の下に光源があり、光が発せられてから、ちょうど１秒で円筒の上まで届
く、「光時計」を考える。

• １秒＝光が上から下まで走るまでの時間

光源

１秒
宇宙船
（静止している）

１秒
地上の人光の速度はどこでも一定.
宇宙船が動いている分、光は斜めに進む.
斜めに進んだ分、進むべき距離が伸びて、地上が１秒でも光が上に到達していない

あっ、ロケットの中の時間が遅れているよ！

地上の人が動いてる宇宙船を見た場合

宇宙船の速度 V km/s

Y km
宇宙船の中の人:
光が上から下に届くまでの時間t秒

X km• 地上から宇宙船の光時計を見た場合、光が斜めに進む
分、光が上に到着するまでに時間がかかる光速 c(km/s)Z km

地上の人:
光が上から下に届くまでの時間:
T秒

•

T>t

これが時間遅れ。
T と t の関係を求めれば、時間の遅れが計算できる

地上の人から見た宇宙船の光時計の様子実際に計算してみよう！
宇宙船の速度 V km/s
Y km
宇宙船の中の人:
光が上から下に届くまでの時間t秒

X km

光は X km, Z kmを同じ速度でそれぞれ時間 t 秒, T 秒 かけて進む
距離の比と時間の比より①、②の関係を代入①

光速 c(km/s)Z km
地上の人:
光が上から下に届くまでの時間:T秒

両辺 Z2 割る

移項

平方根をとる

一方、光が光速c で Z 進む
間に、光時計は速度 V
で Y km 進むので、T を移項して②
ピタゴラスの定理より

時間の遅れ動いているものの速度

宇宙船（動いているもの）

地上（止まっているもの）

の時間

の時間

光速

宇宙船
実は、その逆同様になりたつ。
すなわち、宇宙船の人からみたら、地上の人は（相対的に）動いているので、地上に人の時計が遅れて見える。
相手の時計が互いに遅れて見える！

地上の人（相対的に）
動いている時間が実際に遅れている証拠•• 宇宙から地球場にはたくさんのミューオンの崩壊現象

宇宙線（陽子など）が降り注いでいる。

• 宇宙線が大気中の窒素と反応、ミューオンを生成。

• （静止）ミューオンは短い寿命(100 μ秒）で崩壊し、他の粒子になるので、地上にたどり着くミューオンは計算上、１０億分の１。

• １９３６年、地上でミューオン
が多数発見される。

• 光速に近いミューオンの寿命が伸びて、崩壊する前に地上に到達した

スパークチェンバーで見た宇宙線 (KEK ホームページ
より）時限爆弾ロケット
１年後に爆発する
時限爆弾を搭載したロケット

距離：１光年 (= L)小惑星（光が１年で進む距離）

地球
時限爆弾の解除装置がある• ロケットは１年後に爆発する時限爆弾を積んだまま、小惑星を出発し、１光年先にある地球（解除装置あり）に向けて発進した。

• ロケットの速度は光速の８０％とする。
• 果たして、ロケットは爆発せずに地球までたどり着けるか？

• 先ほどの式を使って、地球の人からみた、ロケットの中の時間の遅れを計算する。

ロケットの時間は地上の時間より0.6 倍（ゆっくり）進んだので、時限爆弾は爆発せずに、ロケット
は地球まで無事たどり着けた。
今度は距離を考えてみる
c = 30 万 km/s の光速度は常に誰から見ても一定。
ということは...

c (速度)= (距離)/(時間)＝一定
c = (0.6L) / (0.6T) でないといけない。
時間と同様に、動いている物体は、止まっている人（地球）から見ると、長さ（空間）が縮んで見える。（＝「ローレンツ収縮」）

小惑星

ロケットから見た距離： 0.6L

地球

逆に地球からロケットを見ると...

小惑星

地球

特殊相対論のまとめ• 特殊相対性理論とは、光速度不変の原
理と光に対する運動法則はどの慣性系からみても変わらない、という原則をもとに再構築された理論体系。

• これを認めると、時間は縮み、空間も縮む。

• 空間と時間は絶対ではない。

ひと休み 研究者になるには（一般論）• 大学を卒業してから、大学院に入る。
• 修士課程（２年）、博士課程（３年）を経て、博士号を取得する（工学博
士、理学博士など）• この時点で２８〜３０歳ぐらいになる。
• その後、任期付ポスドク（博士研究員）や企業の研究職に就くのが一般的。

• ポスドク（国内外）は ５ (=3+2) 年くらいが１つの目安。その後、任期なしのポスト（パーマネント）を目指す。

• ３５歳くらいまでが１つの目安（かも）。
• 大学教員、研究所の研究員など。

5. 実験で「クォークスープ」
をつくる
ビックバンから 1/100万〜1/10,000 秒後の世界

復習
陽子

クォーク

中性子

原子
10-10 m

原子核
10-14 m陽子・中性子
10-15 m= 1fm

ラザフォード(右)とガイガー（左） (1912)
この頃の主要研究テーマ
放射性物質の性質
原子の構造、原子核の構成要素は何？
Rutherford and Geiger in the Manchester Physical Laboratories circa 1910
(Photograph: The University of Manchester)Rutherford 散乱
ニュージーランド紙幣とラザフォード

5 MeV

アルファ線源

大きな散乱角のα線を観測→原子核の発見 (1911)

量子力学：ドブロイ 波長 (λ)• 光は波であり、粒子である（by 量子力学）• であるならば、粒子も波であり得る＝ド・ブロイ波長• 運動量 p = 100 MeV/c → λ ~12 fm （原子核半径の２倍）→ 原子核全体をみる• 運動量 p = 10 GeV/c: → λ ~ 0.12 fm < 陽子の半径, 1fm→陽子や中性子,その内部構造を見る

現代版 Rutherford 散乱→クォークの発見
SLAC （スタンフォード線形加速器、米国）

現代版 Rutherford 散乱→クォークの発見 (1969)

20 GeV電子

1/3 or 2/3 e の電荷
クォーク (e = 1.6 10-19 クーロン)

グルーオン

陽子

クォーク・グルーオン・プラズマ (QGP) とは？

ハドロンに閉じ込められていたクォークやグルーオン→

高温高密度下で解放された状態= クォーク・グルーオン・プラズマ (QGP)ビックバン
t0+13,7×109 years

時間
CMB
QGP

空間

t0

ビッグバンリトルバン

t0+13,7×109 years t0+3×10-23 seconds

CMB

gaz hadron
QGP

QGP

t0

RHIC （相対論的重イオン衝突型加速器）
2000ブルックヘブン国立研究所 BNL（米・ニューヨーク）

RHIC = Relativistic Heavy Ion Collider
周長：3.8 km
1740 個の超伝導マグネット
最高エネルギー：200 GeV 金＋金
500 GeV 偏極陽子＋陽子
様々な衝突系、エネルギーで実験国際共同実験 PHENIX

１回の原子核・原子核衝突で、約５０００の粒子が生成される

STAR 国際共同実験

水の相図
温度

密度

核物質の相図
初期宇宙53;753 
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２００５年４月１８日 朝日新聞

LHC (Large Hadron Collider)
2009CERN (セルン)
欧州合同原子核研究機構（スイス）
円周２７ km（山手線１周程度）
総額５５００億円、（日本も１７０億円拠出）
建設に１５年、計画を含めると２０年の歳月を経て完成

CERN
加速器制御室CERN 加速器施設

118

何か１つ、おかしなことに気づきませんでしたか？
光速に近い加速粒子を地上から観測しているのに、加速粒子が球形だった！
119

光速の 99.7 % で加速された物体を地上からみると静止している物体
2R ~ 14 fm

高速で移動している物体
2R/γ ~ 0.13 fm

121

（１）衝突前（２）衝突直後（３）パートン散乱（４）QQGGPP生成（５）ハドロン生成（６）膨張とともに終状態へ

時間

122

超高温度を再現する• 高エネルギーの加速器を利用する• 加速器の運動エネルギーを「熱エネルギー」に変換→ 粒子生成に使われる• 粒子は光速の 99.999997% にまで加速される。
• 粒子は束「バンチ」になって加速、そのビームスポット（広がり）は、17 μメートル. (髪の毛の太さは 約 70 μメート
ル)

• 衝突ポイント (4つ)でビームを衝突させる。

加速器の原理 (1)
線形加速器

線形加速器
線形衝突型加速器（リニアコライダー）

陽子の発生源と最初の加速 →（線形加速器）← 重イオンの最初の加速を行う（LEIR）

加速器の原理 (2)サイクロトロン

遠心力

ローレンツ力加速器の原理 (3)シンクロトロン

LHC 高周波加速空洞

LHC 四重極磁石（KEK（日本）とフェルミ研究所（米国）の共同開発）LHC 超伝導マグネット(1,700 台設置)
陽子の束 (1011個),
0.2 mm の広がりから 16 μm にまで絞り込むレンズの役割→強力な超伝導磁石 (9 テスラ, T)
地球磁場 = 1 Gauss, 1 T = 104 Gauss

← LHC加速器の電磁石で使われている
超伝導体
Nb（ニオブ）-Ti

LHC加速器の →超伝導電磁石の断面
1.9 K で超伝導マグネットを冷却。宇宙背景放射の温度2.7 K よりも低い.

ATLAS 国際共同実験 (CERN)

131

CMS 国際共同実験 (CERN)

132

ALICE 国際共同実験 (CERN)

133

ALICE 国際共同実験(CERN)

36 カ国, 129 研究機関
~1,000 の研究者
LHC で唯一、重イオン実験とクォーク・グルーオン
134

プラズマ研究に特化した実験茗溪学園高校
ALCE 実験見学(2013.07)

http://alicematters.web.cern.ch/?q=JapaneseSchool

電子識別
装置
(TRD)東大

高運動量粒
子識別器(HMPID) マグネット

光子測定装
置 (EMCal)

飛跡検出器
(TPC)

ハドロン識
別装置
(TOF)
ジェット対
測定装置
(DCal)
筑波大

シリコン
飛跡検出器
(ITS)

光子識別
装置(PHOS)広島大

137

←ALICE の電磁石ALICE 検出器、大きさ 16 m x 26 m、重さ 10,000 トン、
宇宙のスープを製造、検証する巨大な目と耳.

↑半導体 (Si) 検出器(全約 13 メガチャンネル = ピクセル）←飛跡検出器 (TPC)DCal 検出器 (光子、ジェットを測定),
２０１３年９月 (CERNにて)

CERN Computing Center (CCC)
400 PB（ペタバイト=1015 B）のハードディスク

ALICE実験で生成されたデータボリューム
2010 - 2013
生データ
(7 PB)

再構成
データ(14 TB)

生データ：7 PB
再構成データ：14 PB
合計：21 PB

Google earth
録画
Grid

QGPの温度を測るには？
• QGPの温度は数兆 K にも達するので、普通の温度計では無理。

• 光を使う• 光は物質と「（強く）相互作用」をしないので、周りの物質の影響を受けずに、衝突
初期の情報を持ったまま出てくる。

• 光子のエネルギー分布から温度が分かる。

絶対輝度

星の温度

• HR図（星の波長と明るさの関係）• 星の色と表面温度• 青白い星の温度（シリウス）＞
赤い星の温度（アンタレス）•

http://en.wikipedia.org/wiki/Hertzsprung‒
Russell̲diagram

星の色
（波長）

溶鉱炉の場合• 光の強度の波長分布（エネル
ギー分布）から、物質の温度を測定する。

強度

波長

太陽の場合• 太陽の温度
黒点：4,000 K
表面: 6,000 K
中心核:1.6 × 107 K＊温度 K（ケルビン）と eV の対応
電子1個を1Vの電位差で加速したときのエネルギーが1 eV.
1 eV の平均運動エネルギーをもつ気体の温度は11,604 K = 104 K（気体の運動論より）

実験結果
光量
• 光子の測定：温度は５兆度 (５x1012 K)

• QGP生成温度の理論予測、２兆度を遥かに超える高温度を実現• 世界で最も高い温度！

光子のエネルギー

ギネス記録に認定されている

QGPから物質世界へ• 物質の相には、固体、液体、気体など、様々な相がある。

• QGP相からハドロン（陽子や中性子などの物質）相への相転移。

t = 1/10,000 秒後• 宇宙は膨張とともにどんどん冷え、QGP相からハドロン（物質）への相転移が起きる• クォーク３つが集まって、陽子や中性子が生まれた（ハドロン化）• ハドロン化するときに、ヒッグス機構では生まれない、残りの９９％の質量がうまれた！

冷却クォークが飛び交う様子（QGP）

クォーク３つで陽子、中性子を形成（ハドロン化）残り９９％の質量獲得機構とは？

• （カイラル）自発的対称性の破れ（南部陽一郎, 2008 年ノーベル物理学賞）• QCD（量子色力学）の真空：クォークの対称性が保たれている。高温、高密度に世界• 現在はその対称性が破られている状態。
• 実験的検証は今後の課題
南部陽一郎

博士

「高校物理」と今回の講演で出て来た話題（現代物理学）との関連は？

「高校物理」と今回の講演で出て来た話題との関連←ハッブルの法則、特殊相対性理論←質量とはなにか←特殊相対性理論←フックの法則（強い力）「高校物理」と今回の講演で出て来た話題との関連←クォーク・
スープの温度←相転移←電波（宇宙背景放射, 3K）←加速器、
半導体検出器、コンピューティング←放射線の検出「高校物理」と今回の講演で出て来た話題との関連←相対性理論←強い力（引力と斥力）←ローレンツ力と遠心力←太陽の温度(電子ボルトとケルビンの関係)

「高校物理」と今回の講演で出て来た話題との関連←光のドップラー
効果、赤方変位、
宇宙膨張、スペクトル←加速器、検出器←半導体検出器←加速器、検出器

「高校物理」と今回の講演で出て来た話題との関連←加速器の原理

原子核の発見→→E = mc2 （重いバネの話し、クォークの閉じ込め）←ドブロイ波長（量子論）、検出器←4つの力、素粒子、Higgs 粒子

この様に、皆さんが教科書で習っていることは、
現代物理学の研究において、基礎となっている

物理学の研究＝「物理の教科書」の新たな１ページを作る！
みなさんもチャレンジしてみよう。

講義のまとめ• 現代の加速器実験では、高エネルギーの重イオンを加速、衝突させて、宇宙の初期状態を疑似生成することができる。

• 宇宙初期の状態は、どうやらクォークスー
プ（液体）的性質を持つ事が分かってきた• 現在、この性質の解明（クォーク物性）のさらなる解明、物質（陽子など）の質量獲
得機構の解明、などが期待されている

最後に• 「強く思うこと」、それだけ実現する。
• 将来どういう自分になりたいか、自分が何に向いているのか、アンテナを広く広げる• （人との出会いを大切に。人生を変える人
物か必ず２、３人、出てくる）• 自分の為であると同時に、結局それが人のため、社会の為になる参考文献（一般向け）• 「相対性理論を楽しむ本」佐藤勝彦監修（PHP文庫, 1998）• 「量子論を楽しむ本」佐藤勝彦監修（PHP文庫, 2000）• 「宇宙誕生１００万分の１秒後の謎」延與秀人著 (実業之日本社,2007)• 「質量はどのように生まれるのか」橋本省二著（ブルーバックス, 2010）• ALICE 日本グループのホームページ：• http://www.alice-j.org

連絡先• 中條 達也• E-mail: chujo.tatsuya.fw@u.tsukuba.ac.jp• 〒305-8571 茨城県つくば市天王台１­１­１• 筑波大学 数理物質系 物理学域
• TEL/FAX : 029-853-4221• 研究室のHP：http://utkhii.px.tsukuba.ac.jp/