第58回 東レ科学振興会科学講演会記録
平成20年9月19日 東京 有楽町朝日ホール

加速器で探る素粒子・宇宙・物質・生命

J-PARCセンター長

教授

はじめに

永宮

正治

なってきます。

ご紹介いただきました永宮でございます。

現代物理学では、粒子は波であり、波は粒

本日は、この講演会にお越しいただき、あ子であるという、やや込み入った事情が知ら

りがとうございます。私は、現在J-PARC

れています。そのため、近代的な物理学実験（ Japan Proton Accelerator Research

では両側面を利用できるという、複雑ですが

Complex）という加速器施設の建設に携わっ

好都合な事情も存在します。この点について、ています。このプロジェクトは、日本で一番まずご説明しておきたいと思います。

大きな加速器プロジェクトです。本日の題名

図１のように二つのスリットを用意して、に掲げた素粒子・宇宙・物質・生命に関して、光のような波を入射させます。波の波長を二加速器はどういうチャレンジをしているかにつのスリット間隔程度に調整しておきますと、ついて、今日はお話ししたいと思います。特右のスクリーンに波の干渉縞が見えます。こにJ-PARCにおいていかなる研究がなされよの現象は、学校で実験されたり習われた方がうとしているかを中心にお話ししますが、時多数おられると思います。

間の許す限り他の加速器についても触れたいと思います。

次に、同じ二つのスリットに粒子を入射させます。皆さん電子という粒子はお聞きになった事があると思いますが、電子を左から入粒子と波まず粒子と波について考えたいと思います。

射しますと、粒子の強度分布は図１の右上のように、２カ所で多く観測されるのではない

こういう例をとってみましょう。暗い井戸のかと想像されます。しかし、実際の測定した中に水があるかどうか調べる実験を試みます。

結果は図１の下のような結果になります。た波の性質を持つ光を使って観測する方法があ

しかに、一つ一つの電子は粒のように観測さります。懐中電灯を照らして、中に水があるれます。しかし、その強度分布はちょうど左かどうか調べるという方法です。しかし、別上の波の干渉縞のようなパターンを示すのでの方法もあります。井戸の上から石を放り込す。

み、跳ね返ってくる水を観測する方法です。

このことは粒子は波であり、波は粒子であ

この場合は、中に水があるというだけでなく、るということを示しており、20世紀の物理学

それがきれいな水であるかとか、あるいは飲の基礎的な概念になっています。もちろん、める水であるかどうかといった、水の成分ま波長がスリットの幅に非常に近い場合にのみでも測定できます。このように、石ころのよ

このような現象が起こるわけで、波長が非常うな粒子を使うか、懐中電灯の光といった波に短いと古典的な描像に近づいてきます。

を使うかによって、井戸水の見える側面が異皆さんは中性子という粒子を聞かれたこと
1

図１ つぶつぶの電子が作り出す干渉縞があるかと思います。これは、J-PARCの今をよく見てみますと、光もつぶつぶの粒子の日の話でも何回か出てまいりますが、中性子ようにふるまっていることがわかります。光は波であるというのはご存じでない方もおら

電増倍管で観測されたチェレンコフ光は、一れると思います。中性子に対する実験結果をつ一つが粒のようになっています。このようみても、二つのスリットを通過する粒子が、に、光が粒子であるというのは、1905年にアあたかも干渉縞のようなパターン、回折パタ

インシュタインがすでに言い始めたことで、ーンが観測されることがよく知られています。

アインシュタインは相対性理論で有名ですが、今日の話には、ニュートリノという粒子も

実はつぶつぶの光であると言い始めたという出てまいります。ニュートリノという粒子は、ことでノーベル賞を受賞しました。このようスーパーカミオカンデという、水をいっぱいに、波は粒子で粒子は波であるということが、ためた装置で観測されます。ちょっと難しい

ぼんやりとでもお分かりになったのではない話になりますが、その測定の方法をご紹介しかと思います。

ておきます。ニュートリノは電気的に中性な

それでは、粒子と波はどう結びつくかとい粒子ですが、それを原子核に当てると、電荷うことを次に考えたいと思います。ルイ・ドのあるミュー粒子というのが出てきます。こブロイという人が、波の性質である「波長」

れを、水の中で観測しますと、チェレンコフ

と粒子の性質である「運動量」は反比例の関光という光が出てくることが知られています。

係で結びつくということを言いだしました。

スーパーカミオカンデでは、チェレンコフ光

これは彼の博士論文ですが、パリの大学の先を観測するのに約５万トンの水を溜め、１万生はこの博士論文はよく理解できないという本余りの光電増倍管を用意いたします。

ことで、論文の審査をアインシュタインにおそこで測定データを見ますと、確かに図２

願いしました。アインシュタインはこれを眺に示すようなリングが見えます。チェレンコ

めて、数学的に美しい論文であるので合格に

フ光特有のリングが鮮やかに観測され、これしなさいということでドクター論文になったを用いるとニュートリノがどの方向から飛んという話が残っています。その直後にアメリできたかも測定できます。一方、このデータ

カで、先ほど図１で述べたような「電子が波2図２ スーパーカミオカンデとニュートリノの観測。
光もつぶつぶの粒子であることがよく分かる。

である」という実験結果が出されました。
それによってこの博士論文がノーベル賞に介しておきたいと思います。
ご承知のように、原子の内部を眺めますと、なったわけですが、この意味は、粒子のエネ

原子は中心に原子核がありその周りを電子が

ルギーが高いほど実は運動量が大きくなり、

回っています。そのうち、一番単純な原子は、波長が短くなるということであります。先ほ陽子の周りを電子が回っているという水素原

どのスリットのデータを見ますと、エネルギ

子です。それを温めると、プラスとマイナス

ーが高いほど、スリットの幅が狭い間隔までが引き離されまして、イオンのガスができま見えてくる。すなわち、エネルギーが高いほす。プラズマという状態です。そこに図３のど、ミクロなものが見えるということになりように負の電圧をかけますと、真ん中にあるます。

陽子が加速されていきます。

加速器持ちますが、１ボルトかけたときのエネルギ

このように加速された粒子はエネルギーを
このようなことから、ミクロな世界を見る

ーを１電子ボルトと呼びます。１エレクトロ

道具として、波長を短くしてよりミクロなもンボルトとも言います。先ほど申しましたよのを観測する手段として、加速器が登場いた

うに、エネルギーが高くなるほどミクロなもしました。加速器はミクロなものを見る装置のが見えてきますが、10キロボルトぐらいかとして非常に強力なものであり、以下にご紹けますと、波長が原子のサイズぐらいになります。ということで、原子を見るには、この程度加速した粒子を見ればよく見えるということになります。さらに、メガというのは100万ですが、100メガボルト、すなわち１億
ボルトぐらいかけると原子核がよく見えます。
１GeVというのはさらに大きくて10億ボルト
ぐらいですが、そうすると原子核中の中性子や陽子が見えてきます。さらに100ギガエレ
クトロンボルトぐらいに上げると、素粒子の世界が見え始めるわけです。
実は、図３は加速器の原理を示したもので、単一の電極でかけられる電圧は限られていま

図３ 加速器の原理す。そのため、実際の加速器では、多くの工3

夫が施されています。今日のお話では典型的

そこで、単一電極を何度も使う工夫はないだ

な二つの工夫についてお話ししたいと思いま

ろうかと人々は考えました。

す。

ご承知のように、電荷を帯びた粒子が磁場

一つは、図４に示したリニアックと呼ばれの中を走りますと、フレミングの左手の法則

る線形加速器で、たくさんの電極を直線上ににより、粒子は曲げられます。そこで、図５並べるものです。まず単一電極で１MVの電のように電極を用意して、まず加速します。

圧をかけます。この電圧は、ほぼ単一電極にまず先ほどの10分の１、100キロボルトぐらおける上限値と考えられています。この場合、いかけて加速するとします。そこに磁石をた

一番目の電極でマイナスの電圧をかけ、粒子

くさん並べ、一つ一つではちょっぴりと曲げが電極に着いたら電極の電圧を反転し、次のて、全体としては１周まわって戻ってくるよ

先の電極を用意してそこでマイナスをかけま

うに磁石を配置します。戻ってきたときに、す。そうしますと、２倍のエネルギーまで加

そこで再度加速しますと、一つの電極を何回速できます。さらに、３段目を用意して同様も使うことができるわけです。

の工夫を施しますと、今度は３倍のエネルギ

もう少しミクロに見ますと、エネルギーがーにまで加速できます。たとえば1,000段加上がると磁場で曲げられにくくなります。し速しますと、1,000MeV、すなわち１ギガ電

たがって、磁場の強さをエネルギーとともに

子ボルトまで加速できるわけです。

シンクロナイズして増やしていくことにより、

一方、単一の電極だけを見てみると、マイ同じ軌道を回すことが出来ます。このように、

ナス、プラス、マイナスと交流の電場をかけ磁石の強度をエネルギーを共にシンクロナイることですみます。すなわち、交流の電場をズさせるので、シンクロトロンと言われていかけることにより、全体としては電極の数にます。シンクロトロンを使いますと、たとえ印加ボルトをかけたエネルギーにまで加速でば100キロボルトかけて10万回ぐらい回すと、きる。これが、リニアックという加速器です。

10ギガエレクトロンボルトまで加速できるとJ-PARCでもリニアックを入射器として用いいうことになります。J-PARCでもこういうております。

原理の加速器も使っており、50GeVシンクロ

一方、リニアックの欠点は、エネルギーを上げると加速器が長くなっていくという点が上げられます。長くなるとお金もかかります。

トロンでは、リングの中を数十万回回すということで現在調整中です。
加速器には、大ざっぱに言って三つの方向

図４ リニアック（線形加速器）の原理と実際のリニアック。

4

図５ シンクロトロンの原理と実際のシンクロトロン。

があります。第一の方向は、エネルギーを増としているもので、中性子、K中間子、ミュやして、よりミクロなものを見ようとする方

オン、ニュートリノといった粒子ビームを用向です。新しい粒子の発見も期待できます。

います。さらに、原子核ビームを加速して大しかし、エネルギーを大きくしますと、加速強度化するのがRIビームファクトリーで、器自身が大きくなってきますから、21世紀は

理化学研究所によって最近稼働を始めました。

世界規模で作るべしと言うことになりつつあ

このように、日本の多くの最新加速器は、こります。最近話題になっているLHCや、の大強度化をめざしています。

近々国際協力でつくろうとしているILCとい第三の方向は、特殊な目的として加速器をう加速器は、このエネルギーを上げようとす

応用研究に使うものです。日本で最も盛んなる方向に属する加速器です。

のは、医療用の加速器です。特に、HIMAC

第二は、エネルギーはそれほど上げなくては強力ながん治療の目的で使われています。

も強度を上げようという方向です。これは大さらに、小型医療用加速器は多くの場所で使強度化といいますが、加速する粒子の数を増われています。

やすということです。日本にあるフロンティ

加速器は、ほぼこの三つの方向で進んでいア加速器、あるいは21世紀の主たる潮流は、

ますが、加速器が基礎科学で非常に注目されほとんどこの大強度化に集中されています。

る理由は、ノーベル賞の数だけ見ても、20世

たとえば、電子ビームの大強度化で得られる

紀には加速器から14件のノーベル賞が出ていものはBファクトリーがあります。これは高ることから伺い知ることが出来ます。21世紀

エネルギー加速器研究機構で動いている加速にも１件出ています。最近の傾向は、上に述器です。あるいは、お聞きになったかどうか

べた「大強度化」からたくさんのノーベル賞

知りませんが、西播磨にあるSPring-８といが出てきているということです。

う加速器があります。電子ビームを加速して

この節を終わる前に、日本の加速器にはど大強度化し、それから出てくる放射光を使う

ういったものがあるかをご紹介しておきましというものであります。また、陽子ビームのょう。まず、素粒子や宇宙を見る研究として

大強度化は、J-PARCでわれわれがつくろう

は、大強度化の例として挙げた高エネルギー5

加速器研究機構のBファクトリー、大阪大学

1,500億円ぐらいの規模のものです。

にあるサイクロトロン、理研にあるRIビー

図６に示しましたように、入射器としてリムファクトリー、それからJ-PARCにあるニアックがあります。先ほどの線形加速器で50GeVのシンクロトロンにおけるＫ中間子ビす。リニアックでは、陽子ビームを光の速度

ームやニュートリノビームが代表的なものでの60％ぐらいまで加速します。これを入射器す。

として用い、３GeVシンクロトロンで30億ボ

物質や生命を研究するものとしては、西播

ルトまで加速します。ここでは、陽子ビーム

磨にあるSPring-８と呼ばれる大型放射光施

は光速の97％ぐらいまでになります。そのビ設、その原型となった高エネルギー加速器研

ームを物質・生命科学実験施設というところ究機構の放射光施設があります。あるいは、に導き、ここで中性子、あるいはミュオンを加速器ではありませんが中性子を出す研究用ビームとして引き出し、物質・生命科学を行

原子炉があり、さらに、J-PARCの３GeVシいます。

ンクロトロンでは、中性子やミュオンビーム

さらに、５％ぐらいのビームを50GeVシン

を用いて物質科学や生命科学の研究を行う加クロトロンに導き、500億ボルトまで加速し速器として注目されています。

ます。ここでは、陽子ビームは光速の最後に医療用は、先ほど言いました放医研

99.98％にまで加速されますが、そのビームのHIMACは有名なものですが、それ以外にの一部分をハドロン実験室というところに導植物の改良に使われる加速器、等も稼働中で

いて、Kaonファクトリーとも言われています。

すが、中間子ビームをつくりだします。さらに、別の箇所からビームを西の方向に曲げ、J-PARCとは？

ニュートリノビームをつくり、神岡で検出す

加速器の大ざっぱなお話はこの辺にしまし

るという壮大な企画もされています。また、て、次にJ-PARCとは何かということについさらに将来は、核変換の実験施設もつくろうてお話ししておきたいと思います。J-PARCということになっています。今日は、お越しというのは、大強度の陽子を加速する装置で、いただいた玄関のところに、この装置の模型

東海村に建設中であります。日本原子力研究やパンフレットを置いてありますので、興味開発機構と高エネルギー加速器研究機構の共のある方はお帰りの際にでもお持ち帰りいた

同事業として進められている事業ですが、建だければと思います。

設は今年度で終了いたします。予算としては

このJ-PARC計画は何を目指すかということですが、陽子を光速近くまで加速して原子核と衝突させます。
そうすると、原子核というのは
実は陽子や中性子からできていますが、これをちょうどハンマーで叩き割ったような反応が起こります。これを、図７に示しましたように核破砕と言います
が、そうしますと、中に含まれている中性子が沢山出てきます。
あるいは、中にほとんどなかった中間子が出てきます。この中

図６ J-PARCの全体図6で、π中間子はミュオンとニュ

中性子やミュオン、あるいはＫ中
間子等、粒子によってビーム強度は異なりますが、１秒間に100万から１億個ぐらいの粒子がJPARCの実験室で得られます。神岡の検出器を通過するニュートリノの量も同程度あります。
こういった粒子をビームとして使うためには、そもそも入射する
陽子ビームの強度が非常に高くな
図７ J-PARC研究の特徴

いと使い物になりません。というわけで世界最大強度陽子ビーム加ートリノに崩壊することが知られています。

速が必要になってきます。大強度の陽子加速

われわれが学生時代や若い頃は、こういっ器が必要になるのは、こういった理由からでた中間子や中性子がいかに放出されるかを研究するだけでも研究テーマになりました。しす。
現在建設はどうなっているかと申しますと、

かし、現在はこういうものがどう放出される

図８に示しましたように、リニアックでは平かというメカニズムは良く知られています。

成19年１月にビームを出しています。さらに、逆に、よく分かっている放出粒子ビームとし３段ロケットみたいなものの２段目に相当すて用いることにより、新たな研究が出来るのる３GeVシンクロトロンにおいても平成19年

ではないか。そういう点に着目したのがJ-10月にビームが出ています。強度も順調に上PARC計画です。

がり、９月18日（昨日）には、210キロワッ

具体的に、ビームの強度を算定しますと、

トという、世界最高レベルに近づいています。

図８ 各種加速器の建設状況

7図９ J-PARCの現在の建設状況

210キロワットと申しましても、これがどれGeVを使う中性子やミュオンのユーザーには、だけすごいものかお分かりにならないと思い

今年12月から利用を開始していただくというます。実は、これまで日本最高レコードを達ことになっており、現在そのための準備を進成した高エネルギー加速器研究機構のブース

めているところです。

ターシンクロトロンのビームパワーが３キロ

実験施設は、図９に示しましたように、リワットでした。したがって、それに比べて70

ニアックがあり、３GeVシンクロトロンがあ倍の強度が出ているということに相当します。

って、その後ろに50GeVシンクロトロンがあ

さらに、実は、この値は最終ゴールではありりますが、３GeVシンクロトロンからビームませんで、われわれはこの５倍ぐらいまで増を導いて物質・生命科学実験施設にビームが強しようとしているわけです。

導かれています。さらに、50GeVからはハド

最後に、第３段目の50GeVシンクロトロン

ロン実験施設にビームを導く。これは今年度

でも、５月末にほぼビームの周回に成功し、のプロジェクトで、来年度早々、平成21年４現在加速テストを行っているところです。

月に神岡のほうに向けてニュートリノビーム

こういう風に、プロジェクトは順調に進んを出射することになっております。

でいます。プロジェクトを進めていくには、工程表と言うものが非常に重要です。われわ

素粒子や宇宙の実験

れのプロジェクトは2001年度、平成13年度にそれでは、次に、どのような素粒子や原子建設を開始し、今年は建設の８年目になって核の実験がなされるかについてお話ししたいいます。この工程表をつくったのは３年ぐらと思います。まず、物質は原子からできていい前ですが、その時点から、この工程表を変るというのはご存じだと思いますが、その原えずに作業を進めています。リニアックや３子の中を眺めてみると原子核が真ん中に存在

GeVではビームが出て、50GeVでもビームがし、原子核は陽子や中性子からできています。

出つつあるということです。したがって、３

それをさらに顕微鏡で眺めてみますと、陽子

8す。アインシュタインが見つけた
光の粒子は質量がゼロです。また、
ニュートリノも謎の粒子と言われていましたが、質量はゼロと仮定
して、標準模型という素粒子の模型がつくられています。はたして、ニュートリノには質量がないのでしょうか？ 特に、ニュートリノ
に関しては、質量があるのではな
いだろうかと、疑問を出されるよ
うになりました。
さらに、第三の疑問は、先ほどクォークが集まって陽子や中性子
図10 三世代を持つクォークとレプトンができると言いましたが、実は地球上の物質の質量の99.8％は陽子や中性子はさらに素なる粒子、クォークからや中性子が担っていますが、クォークが複合できていることが知られています。

体をつくるときになぜ陽子や中性子の質量がこのクォークは何種類あるかに関して、できるのかが、大きな疑問です。軽いクォー

1980年代から1990年代、素粒子物理学の注目

クが３つ集まると、急速に重たい陽子や中性はこの点に注がれましたが、現在、図10に子が出来ることも知られており、疑問は増す示しましたように、第３世代までで終わりでばかりです。

はないかと言われています。すなわち、素粒J-PARCはこの第二の疑問と第三の疑問の子の世界は、クォークが３世代、さらに、電二つにチャレンジしようという、大きな夢を子とかニュートリノを含むレプトンで３世代持って邁進しております。第一の疑問に関しあるというのが、現在の素粒子描像です。

ては、CERNのLHCが答えることになるでし

素粒子に関していくつかの疑問があります

ょう。

が、現在一番皆さんが関心を持ち、私自身も非常に興味を持っていることは、質量というニュートリノ実験問題です。質量に関する三つの謎をここに書

そこで、第二の疑問のニュートリノの質量きました。まず第一の疑問は、なぜ質量といに関してですが、高エネルギー加速器研究機

う物理量が生じるのかという点です。質量の構の前の機構長で最近お亡くなりになった戸概念を作り出す起源を探ろうと言うもので、塚先生という方が、地球の上から飛んでくる

ヒッグスという先生が質量をつくる場を定義

ニュートリノと裏側から飛んでくるニュート

しました。そうしますと、それに付随して粒リノを観測しました。そうすると、裏側から子が出てくるということです。ヒッグス粒子

飛んでくるニュートリノより上側から飛んでを探索するというのがCERNのLHCの最大のくるニュートリノの数が多いということを発目標です。質量をつくる神様みたいなもので見されました。ニュートリノが地球の裏側かす。

ら表側にやってくる間になくなってしまう現次の第二の疑問は、もともと質量がゼロで象を、ニュートリノ振動といいますが、実は、あると信じられている粒子がいくつかありま

ニュートリノ振動が起こるのは、ニュートリ

すが、果たしてゼロなのかという疑問です。

ノに質量があるときに限られています。そう

たとえば電磁場を媒介する光子、フォトンでいうわけで、ニュートリノには質量があると9

図11 T２K（Tokai to Kamioka）実験いうことを言いだされました。
もしそうならば、加速器で人工的に作ることのできるニュートリノを使って実験できな

日本人実験者は当初からあまり増えていませ
んが、どんどん外国人が増えて、現在350人の外国人が参加しております。

いだろうか、というアイディアが生まれましこの実験ではどういった装置を使うのかにた。その検証実験のごく初期的な実験は、

ついて、若干説明しておきます。50GeVとシ

KEK-PSを用いてすでにスタートしました。

ンクロトロンからビームを曲げ、まず図12

J-PARCでは、この本格的な実験を行おうとの右付近に導きます。そこでπ中間子をつくするものです。まず、加速器を用いてミュオ

ります。次に、ディケイボリュームというとンニュートリノという粒子をつくります。そころで、π中間子が崩壊してニュートリノがのミュオンニュートリノが別のニュートリノ

生成されます。さらに、π中間子を神岡方向に変わる、ニュートリノ振動を見つけようとに向けて絞る装置を置きます。これはホーンする試みです。図11に示すT２K（Tokai toと呼ばれる装置です。最終的には、ニュート

Kamioka）実験です。

リノがこの場所で生成されたということを確

ちょっと専門的になりますが、この実験でかめる敷地内検出器でニュートリノの生成をは、第１と第３のニュートリノの混合角を世確かめてから、神岡方向に出射されます。

界で初めて測定します。ミュオンニュートリ

ニュートリノはどの程度作られるのかを考

ノが振動を起こしますと、主にタウニュート

えますと、J-PARCでは１秒間に1,000兆個のリノに変質しますが、一部分、電子ニュート

ニュートリノが敷地内で生成されます。すごリノにも変化します。前者のみならず、後者

い数です。その後、ニュートリノは1,000分を測定しようという試みです。これは非常にの１秒間で神岡に着きますが、いくら絞ってユニークな実験であるということで、当初はも限界があり、１秒間に全個数の0.03％の約100名ぐらいでチームをつくっていましたが、3,000万個ぐらいしか神岡検出器を通過しま

10図12 T２K実験で用いられる種々の装置群せん。しかし、１日経過しますと数兆個のニという実験も現在検討が始まっています。

ュートリノが神岡のスーパーカミオカンデ検出器を通り抜けるわけです。通過したもののハドロン実験

ほとんどは神岡でも検出されず、検出される

次に第三の課題として、陽子や中性子の質

ニュートリノ数は高々10個ぐらいです。非常量という話をしたいと思います。先ほど陽子に難しい実験であります。

や中性子は三つのクォークからできていると宇宙の空間を眺めますと、宇宙で一辺２メ言いましたが、陽子はuudという三つのクォートルの立方体をつくりますと、宇宙ではそークからできており、中性子はuddという三の箱の中に平均１個の陽子と電子が入っていつのクォークからできております。両者の質ます。しかし、ニュートリノは何と30億個も量は、陽子で938MeVで中性子では940MeV

入っているのです。宇宙はニュートリノで満なので、ち満ちているわけです。したがって、ごく微

２mu + md = 938MeV

量の質量でも正確に量って、宇宙の質量を正mu + ２md = 849MeV

しく計測するということは非常に重要なことを解きますと、mu = 312MeVでmd = 314MeV

でもあります。

いう値になります。われわれの学生時代はこ

アジアの地図を広げると、ニュートリノを神岡に飛ばすと、神岡ですら広がってぼわっれが正しい値ではないかということを習った
ことがあります。

としてくるわけですが、ぼわっとしたものが一方、π中間子というのはud-barで構成さ

西に飛んで、1,000キロぐらいで次に韓国にれています。d-barというのはdの反粒子です

ぶつかります。J-PARCができると、韓国でが、質量はdと同じです。したがって、ud-も自然にニュートリノが飛んでくるわけです

barの質量は mu ＋ md = 626MeVになります。

ので、T２KK（Tokai to Kamioka, Korea）

しかし、実際の中間子の質量は140 MeVし11

かありません。さらに、その後m uクォーク

南部陽一郎先生という有名な先生がおられとかm dクォークの質量を量る実験をしまし

ますが、この先生がかなり昔に、クォークをたら、実はuクォークは２MeV、dクォーク

結びつける力になるグルーオンという飴のよは５MeVしかないということがわかってき

うな粒子の存在を提唱されました。その飴のました。そうすると、これを足してもとうて

粒子がカイラル対称性を破る。そのため、飴

い陽子や中性子の質量は生み出されないわけの粒子が質量の発生の原因ではないかというです。何か別のメカニズムがあって、クォーことを言われました（追記：南部先生は、そク同士がくっつき合ったときに質量ができるの後ノーベル賞を受賞されましたが、そのノのではないかと考えられます。なぜ軽いクォーベル賞の受賞対象が、ここでいうカイラル

ークが集まって重い質量になるか。これは、対称性の破れに関する研究でした）。

英語ではmass without massというパズルとこの飴の効果の計算は難しく、その後、こして数年前から皆さんがかなり真剣に考えてういう計算は通常の方法ではできないと考えいる課題です。

られ、長らく放置されていました。図13の宇宙論的に見るとどういうことかと申しま

記事は、若干古い新聞からの抜粋ですが、去すと、ご承知のように150億年前にビッグバ

年の４月ごろの朝日新聞です。物質に重さがンができたという仮説がありますが、宇宙がある理由がついに検証されたということです。

できて約0.1ミリ秒後に、バラバラのクォー

数式的にはなかなか解けないものが、スーパ

クや反クォークが結合し、陽子や中間子がでーコンピューターという大型計算機を駆使しきたと考えられています。この瞬間にクォーて、やっと計算の糸口がついたという話題でクの閉じ込めが起こり、大きな質量が発生しす。もちろん、完全に解けたわけではなくて、たのではないかと考えられています。すなわ

今はまだまだ研究中のテーマです。

ち、クォークの閉じ込めの現象とクォーク複

したがって、実験的にはほとんど何も検証

合体が質量を生むことは、関連しているのでされていません。最近、π中間子やＫ中間子はないかと考えられます。

を原子核の中に埋め込むことにより、実験的

図13 陽子や中性子に質量が出来る原因12

図14 ハドロン実験ホールでの実験計画な研究が急速に進み始めました。原子核というに、夢はどんどん広がります。

う高密度物質の中にこれらの中間子をいれ込ともかく、原子核中に中間子を放り込むこ

むことにより、真空中と異なった条件下で質とにより、その性質の変化を見ようというの量の変化を観測できるからです。さらに、Kが、これらの実験の共通した課題です。

中間子を埋め込みますと、原子核全体を収縮させるのではないかという理論的予測があり物質や生命科学の実験ます。より専門的な言葉で申しますと、図13

J-PARCでは、３GeV陽子ビームを実験施のカイラル対称性の破れが、中間子を入れ込設に導くことにより、ミュオンや中性子のビ

む物質の密度により大きく変化するのです。

ームを発生させることができ、物質科学や生こういった実験的な研究を進めようとしてい命科学の実験も可能になります。特に、中性ます。J-PARCではこのような実験研究が一子ビームとはどういうものかにスポットを当つの主要な研究テーマとなっています。

てて、ご紹介したいと思います。

また、原子核の密度が、K中間子を埋め込結晶を用意しますと、結晶には結晶面といむことにより高くなれば、地上には存在しな

うのが存在します。中性子を結晶に照射しまい原子核の研究も加速されます。実は、地球

すと、中性子は冒頭に申しましたように波の上の原子核の密度は一定とされており、あるような性質を持ちますから、走行距離の差が一定密度以上には変化しないと考えられておちょうど波長と同じ、あるいは波長の整数倍りました。それが、K中間子の注入により、になった場合は、波を強め合うということがより密度の高いものが出来ますと、まったく知られています。フラッグ反射と呼ばれる現新しい世界が開けます。宇宙の果てまでいく

象で、結晶解析の基になる現象です。波長がと、中性子星といった密度の高い星の存在が一定ですと、角度を変えると走行距離を変え知られています。Ｋ中間子ビームを用いると、ることができますから、ある特定の角度に反このような新たな星の構造を調べることも可射されやすいという現象が起こります。

能になるかもしれません。図14に示したよ

実験のデータを眺めますと、まず図15を
13

格子間隔にすれば２倍のところが見えるわけです。２倍のところが見えるということは、磁気構造は結晶構造と異なっていることを示唆しており、実は、反強磁性体という磁気構造が図15のように交互に上と下と変化している構造がきれいに見えるという次第です。すなわち、中性
子散乱は物質の磁気の研究に非常に有力であることが知られており、今後も物質の磁性研究においては重要な役割を果たすと考えられております。
さらに、中性子線は、SPring８等で得られるエックス線と異なり、非常に面白い性質があります。エックス線は電子に当た
図15 中性子の散乱（回折）と実際の実験データってはね返るという性質があります。したがって、電子の数が多いものはよく見えますが、少見ていただければ、23°位のところで強く散ないものはよく見えません。一方、中性子線

乱され、その次は46°ぐらい散乱されるといは、原子核に当たって反射しますので、どん

う風に、波の１倍、２倍、３倍というところな原子でも同じように見えるという性質があで強い散乱が起こります。このように、非常ります。逆に言うと、エックス線で見たときにきれいなブラッグ散乱というのが出ます。

には鉛とかニッケルという重い原子、すなわ

この間隔は、結晶のユニットセルといわれ、

ち、原子番号の大きなものはよく見えますが、このような測定によって結晶構造を決めるこ

水素などの軽い元素は中性子の方がよく見えとが出来るわけです。
温度を下げていきますと、
実はこれ以外の別のピークが出てきます。中性子は電荷はゼロですが、スピンというのを持っていて、磁気を持っています。中性子はミクロの磁石と言われています。したがって、磁気的に規則正しく並んで構造があると、その性質が見えるというわけです。このデー
タでは、11°ぐらいのところにピークがありますから、
14

図16 Ｘ線で観測した写真と中性子線で観測した写真

るということになります。

しまうのが薬なわけですが、特に介在するの皆さんエックス線で肺の写真なんかを撮らは水分子だと言われています。水素です。しれますが、骨の構造はよく見えるわけですが、たがって、水素の構造を中性子を用いて調べ

逆に中性子線で写真を撮ると水しか見えませることは重要になります。ということで、製ん。そのため、中性子線では、まったく異な薬会社が非常に興味を持っています。

った側面が見えるわけです。たとえば、図16

また、植物のイメージング。図17に書きに示しますように、タンパク質などの構造をました例は、カーネーションの例ですが、中調べるときには、エックス線で見ると骨格構性子を当てると水のところしか見えません。

造が非常にきれいに見えますが、中性子線でそういうことで、水の部分の研究ということ

見ると周りにくっついている水の分子がよくでいろんな応用が考えられて、産業利用が中見えます。あるいは、携帯電話などで用いら性子の一つの大きな特徴になっています。

れるリチウム電池を眺めますと、エックス線

すなわち、学問的な研究は８割ぐらいにしで見た場合はマンガンのような重い原子はよて、２割ぐらいは産業利用をしようというこく見えますが、リチウムのような軽い原子はとでわれわれは準備を整えつつあります。

中性子でよく見えるということになります。
そういうことで、中性子による水素研究と加速器の医学利用

いうのがにわかに注目されてきました。たとここで話題を変えて、加速器の医学利用にえば、自動車における水素燃料は、将来のエついて触れておきます。もっか、放射線医学

ネルギー源として非常に注目されているもの

研究所（放医研）というところで重粒子線、ですが、水素吸蔵合金をいかに作り出すかが重イオンのビームがガンの治療に使われてい生命線です。あるいは鉄鋼産業で、鉄鋼の中ます。こういった話題に関してです。

に水素が入りますと鉄が非常に弱くなります。

皮膚の中に重イオン（重粒子線）を当てま

水素が入っているのをいかにトラップしてしすと、あるところで非常に大きな損傷を起こ

まうかという研究も進んでいます。

します（図18）。要するに、重イオンを照射

あるいは、創薬の研究ですが、創薬というしますと、奥でだけ焼き切れるわけです。奥のはダメージを受けたDNAをいかに薬が修の方にガンがありますと、その局部だけ焼き復するかが鍵となります。修復して蓋をして切ることが可能になります。これは、ガンマ線治療と決定的に異なる点で、そのため、重イオン治療が脚光を浴びてきました。最近の日本では、この治療法が急速に伸びてきています。
余談になりますが、サイクロトロンを初めて作り、発明したのは図19に示したローレンスという方です。1930年
代にサイクロトロンを初めてつくったときには、アイソトープを人工的につくるというのが当時の一番大きな研究課

図17 水素分子を眺める特長を生かした中性子による創薬研究や植物の研究題でした。それまでは自然にある放射性物質しかなかった15

のを、人工的に放射性物質をつくろうというそこで始まったのが、放射線医学という分試みです。一方、ローレンス自身は、このア野です。ジョン・ローレンスは中性子のビー

イソトープ生成以外に加速器を役に立てるこムを用いた中性子線による治療を手がけましとができないかを考え、弟さんのジョン・ロ

た。ただ、中性子はその当時あまり効かなくーレンスという、イエール大学で内科の先生て、陽子とか重イオンの方がいいのではないをしておられた人と相談しました。そうしま

かという動きが出ました。このため、1950年

したら、弟さんは医学に使おうということを代にすでにバークレーで１台だけ治療用加速提案され、ジョン・ローレンス自らがバーク

器が登場しました。ウィルソンという方が、レーに移ってこられました。私は1970年代にバークレイでの陽子線による治療用加速器をバークレーにいましたが、その頃、この弟さ提案したためです。この方は、後にフェルミんの方は、バークレーの医学部長をされてい国立研究所の所長になる人ですが、1950年代ました。

にすでにバークレーで、陽子加速器でガンを治療しようというのが始まっていたのは驚きです。私がいました70年代には、すでに重イオンによる治療がスタートしておりました。
放医研で重イオン照射がスタートしたのは90年代ですが、日本ではその後急速に加速器を用いた治療が増え、世界の先頭を切るまでになっております。
加速器を用いた研究としては、素粒子原子
核のようなごく基礎的な研究、物質生命科学のように基礎と応用を含めた研究、さらに、ガン治療のようにまったくの応用研究と三つの領域があると思います。この第三番目の応用も重要かと思い、J-PARCという話題とはやや離れますが、ここに挿入させていただき

図18 重イオン（重粒子線）治療の原理

ました。
再びJ-PARCに戻って
最後に、再びJ-PARCということで、残りの時間を利用してJ-PARCはどのよ
うなものであるかということを、建設状況の映画を見ながらお話ししたいと思います。
J-PARCは、私どもが建設を始めてから８年目になります。１段目のリニアッ
ク、２段目の３GeVシンク

図19 サイクロトロンの発明者のローレンスと放射線医学のパイオニアのローレンス16

ロトロン、３段目の50GeV
シンクロトロンの３つの加速器から成り立っております。（中略）リニや素粒子の謎、特に、物質の根源である質量

アックの建屋は、全体で330メートルありまの問題等を研究することを一つの目標としてす。これは東京駅の丸の内駅舎とほぼ同じ長進んでいます。また一方、物質・生命科学、さです。東京タワーも330メートルですから、

特に、材料の研究や生命科学である創薬といそれを横にしたようなものです。２階にはクう産業利用も視野に入れた、技術の最先端をライストロンが並んでいますが、このクライもめざしています。すなわち、多目的施設とストロンは東芝でつくりました。J-PARCのして進もうとしており、その意味でも、現在ために新しく開発したもので、現在世界のい脚光を浴びております。

ろいろな研究所がこの新しいクライストロンを使うようになってきています。（中略）

さらに、建設を始めたころはそれほど意識していませんでしたが、世界のいろいろな施

その後ろに、２つのシンクロトロンがあり設との競争も始まりました。図20に示しまます。（中略）これは３GeVのシンクロトロ

したように、中性子分野では、SNSというアンですが、現在200キロワットという非常にメリカの中性子源ですが、J-PARCから１年

大パワーのビームが加速されている現場です。

ほど先行して建設し、既にできあがっており

それを３段目の加速器50GeVのシンクロトロ

ます。さらに、ISISとも競っており、J-ンに導きますが、50GeVトンネルは一周約

PARCがこれからISISを抜き、SNSを抜いて1.6キロという長いものです。ここでは、レ

いくのではないかと思います。

ーザーによるアラインメントをして、0.1ミ

ニュートリノ分野では、フェルミ国立研究

リメートルの精度でセットします。日本のメ所とかCERNでニュートリノの実験がいま行

ーカーの技術はなかなか優れたもので、このわれつつあります。これは第１世代の実験で、ような調整も可能なのです。

われわれは第２世代の実験をやりますので、実験室の映画は、一つだけお見せします。
ここにお見せするのは、中性子を発生させる

日本がリーダーシップを取っていけるのではないかと思っています。

装置の外側に使う、直径10メートルの鉄の遮ハドロンに関しては、Kファクトリーが世蔽体です。こういう大型建造物は、建屋を建界で一つあり、これはOECDが推奨した線にてる前に入れ込まなければなりません。この沿っています。それ以外の大きな計画として中心部に多量の陽子ビームがやってきますが、はGSIもありますが、ここでは反陽子物理学

熱くなるので水銀で冷やします。（中略）こを行うことにしています。

のように作った中性子源も、いよいよできあ

このように、中性子分野、ニュートリノ、がり、12月から実験することになっています。

ハドロン物理、の３つにおいて、世界のセン

これは余談ですが、こういう大工事を行いターをめざしております。建設は終了しつつますと、いろいろなハプニングが起こります。

あって、世界最高級の陽子加速器施設ができ

まず、近隣の方を集めて植林をしました。約あがりつつあります。しかし、国際的に一流

9,000本の苗を植えたら、現在、立派な森がの研究拠点にするためには、これから必死の出来上がりました。あるいは、オオタカが出

努力が必要ではないかと思います。というのてきたときに、野鳥の会にいろいろお世話には、日本人は外国で研究することには、よくなりました。そこで、小鳥の水飲み場をつく

慣れていますが、外国人をうまく呼びよせて、りました。感謝状もいただきました。また、

日本の中で外国人に合わせたような研究所の遺跡が出て参りました。鹿島灘の北の端っこ

インフラストラクチャーをつくり出すというの塩田遺跡ですが、そういうことで調査に１のは、まだまだ遅れたところがたくさんある

年半ほどかかってしまいました。

からです。ということで、国際的な拠点の形

J-PARCは、知識の最先端としての原子核

成はわれわれの次の大きな課題だと思ってい17

図20 国際センターとしてのJ-PARC

る次第です。
最後に、まとめますと、J-PARCは多目的な施設としてスタートしました。特に、中性子やミュオンのビームを用いた物質・生命科学の研究、ハドロンやニュートリノビームを用いた素粒子や原子核の研究がハイライトです。また、国際社会や産業界への積極的な開放は、これからの大きな課題だと思っています。ということで、いよいよJ-PARCが始動しますので、今後ぜひご期待いただきたいとともに、ぜひ現地に見学にお越しいただければと思います。８月に一般公開しましたが、2,600名ぐらいの方が来られました。来年も行う予定ですので、ぜひお越しいただければと思います。
ご静聴ありがとうございました。

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