巨大加速器ＬＨＣで迫る
初期宇宙の世界
筑波大学理工学群物理学類
中條 達也「若い世代のための出前講義」
気仙沼高等学校
２０１２年１１月３０日
1

講義内容
テーマ：「宇宙の歴史と現代物理学」
第１部

原子核・素粒子物理学と宇宙第２部

加速器実験で宇宙誕生の謎に迫る

第１部「原子核・素粒子物理学と宇宙」

1. はじめに
2. ビックバン
3. 極初期宇宙• 宇宙開闢

(t = 0 秒)• インフレーション宇宙膨張期 (t = 10-36 〜10-11 秒後)• 力、素粒子、質量とは何か？

第２部「 加速器実験で宇宙誕生の謎に迫る」
特殊相対性理論入門

4. 実験で「クォークスープ」をつくる (t = 10 秒後)
5. その後の宇宙 (t = 3 分〜137 億年後（現在））
6. エピローグ-6１. はじめに物質の階層と物理学

5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
6

国立天文台４次元デジタル宇宙プロジェクト MITAKA

7

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」
8（宇宙初期を見ている）

> 1026
m

超遠方銀河

9

> 1026 m~ 1021m

アンドロメダ銀河10

> 1026 m
1021 m~ 1011m

太陽、地球、月11

> 1026 m
1021 m1011 m

102 m

地球の上

12

> 1026 m
1021 m1011 m
102 m

1.70 m

人の大きさ

13

> 1026 m
1021 m1011 m102 m

10-5 m1.70 m神経細胞

14

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

分子15

> 1026 m
1021 m1011 m
102 m
1,70 m10-10 m10-5 m10-8 m水素原子16

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

10-15 m10-5 m10-8 m10-10 m陽子

17

> 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

18

ウロボロスの蛇
物理学の世界
異なる階層（スケール）が互いに関連し、繋がっている例）宇宙 (1028m)⇅
素粒子(10-18m)
http://www-yukawa.phys.sci.osaka-u.ac.jp/SAP/?SAP%2FProgram%2F11

19

２. ビックバン
その証拠と意味20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

21

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

22

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（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）。
23

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＝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
24

スペクトルとは？
連続スペクトル（太陽光）

鉄の輝線スペクトル
Na D線輝線スペクトル

25

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）吸収線が赤方にシフトしている宇宙膨張：遠方の銀河ほど早い速度で観測者から遠ざかっている。
太陽光

遠方銀河
26

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

27

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
距離

（現在では銀河までの誤差が大きく、かつ銀河間の距離が約１／７だったことが分かっている）

ハッブルの法則v = H0 r
銀河の後退速度 = 定数

距離

現在の観測例（ハッブル宇宙望遠鏡,
2001）
ビックバンの証拠：その１• v = H0r,

‒ H0 = 100 h km s-1 Mpc(Hubble 定数, h は観測
400
メガ・パーセックの不定性を表す)＝１３億光年までの銀河、• ハッブル宇宙望遠鏡によ超新星を測定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を測定
ハッブルの法則に従う‒ H0 = 65 -79 km s-1
Mpc-1.
‒ h = 0.72 ± 0.08.
6証拠２）宇宙背景放射
１９６０年代•••→Robert Wilson & Armo Penzias

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（ベル研究所）
30

7

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！

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１３７億年• つまり１３７億年前に、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

３. 極初期宇宙
ビックバンから t = 0〜10-36 秒後の世界

34

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）

10-5

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）

38

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
39

ゲージ粒子の交換によって力が生まれる斥力相互作用40

ゲージ粒子の交換によって力が生まれる

引力相互作用41

中間子論と核力、原子核

中間子

陽子 (Z=+1)

湯川秀樹博

中性子 (Z=0)• 中間子（粒子）を交換して、陽子と中性子を結びつける（核力）＝原子核の形成

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

t=0 sec

10-44 sec

10-36 sec

10-11 sec

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）
43

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」• 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)

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 クォークは 3 (MeV/c ), t2クォークは 105 (MeV/c2), 光子は 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 クォークと d クォークの質量差、ほんの数 (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）
48

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。

49

F=kR1qq

50

F=kR2qq51

F=kr1
q

F=kr2
q

q

52

q

53

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 = mc :2

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」
54

「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。

55

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？

56

質量の謎を解き明かす
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
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
57

Pressure

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 sec 10-44 sec

10-36 sec 10-11 sec

58

10-6 sec

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

59

時間

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• 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ボールはまっすぐ落ちる• 船の上から見ている人は、玉は真下に落ちます。

• 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

陸から見たら、ボール
放物線を描いて落ちる

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。

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
宇宙線を見た場合

宇宙船の速度 V km/s

Y km
宇宙船の中の人:• 地上から宇宙船の光時計を

光が上から下に届くまでの時間

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

t秒

X km

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

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

Y km

①

宇宙船の中の人:
光が上から下に届くまでの時間t秒

X km①、②の関係を代入

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）の時間

地上（止まっているもの）
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

宇宙船（陽子など）が降り注いでいる。

• 宇宙船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。

４. 実験で「クォークスープ」
をつくる
ビックバンから t = 10-6 〜10-4 秒後の世界（1/100万 〜 1/10,000 秒後）

85

LHC (Large Hadron Collider)
2009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

86

CERN 加速器施設

87

88

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！
89

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

91

（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

92

復習

ビックバンの宇宙の初期状態に戻る

ビックバンから1/1,000,000 秒 (10-6秒後＝１マイクロ秒) 後
そのときの宇宙の温度は約１兆度質量獲得の謎（９９％の質量は、クォークから陽子、中性子になるときに生まれている）
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、「クォーク・グルーオンプラズマ」（QGP）が存
在している
93

Pressure

Heat

QGP

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

94

ATLAS 国際共同実験 (CERN)

95

CMS 国際共同実験 (CERN)

96

ALICE 国際共同実験 (CERN)

97

98

99

ALICEコントロール
ルームの様子

電子識別
装置
(TRD)
光子測定装
置
(EMCal)

高運動量粒
子識別器(HMPID) マグネット
飛跡検出器
(TPC)

ハドロン識
別装置
(TOF)

ジェット対
測定装置
シリコン
飛跡検出器
(ITS)

(DCal)
光子識別装置(PHOS)102

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「強い相互作用」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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。

水の相図
温度

密度

核物質の相図
初期宇宙53;753 
C

90=8@)<:  ;76+*'+)
$&!%A B9#"() 9

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>,19

?2
-.4



/3

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

クォーク３つで陽子、中性子を形成（QGP）（ハドロン化）残り１％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
南部先生の論文

５. その後の宇宙
ビックバンから t = ３分〜１３７億年後（現在） の世界

113t = 3分後• 陽子（水素）、中性子から重陽子、ヘリウム、微量のリチウムができた。
• ビックバン元素合成理論• ところが He は非常に安定な原子核なので、それ以上の元素合成が進まない。
• こうして３分後の宇宙は、陽子とヘリウムの原子核に満ちあふれることになる。
4

重陽子+重陽子 = ３重水素 + 陽子

中性子

陽子
（水素原子核）３重水素+重陽子 = ヘリウム4 + 中性子

重陽子
崩壊

陽子

質量数８の壁

ヘリウム4 + ヘリウム４ → ベリリウム8→

直ちにヘリウム4へ崩壊• 安定なヘリウム４原子核に戻ってしまうt = ３８万年後• 宇宙は安定した「陽子」と「ヘリウム４」、「電子」、「光」で満たされていた。

• その後もどんどん宇宙は膨張し、冷えて行き、電子の運動速度が下がる。

• すると、陽子やヘリウムに電子が捕獲され、水素原子、
ヘリウム原子を構成する様になる。
電子

H

He

宇宙の晴れ上がり• これまで電子によって散乱されていた光は宇宙空間を自由に飛び回れるようになる。

• これを「宇宙の晴れ上がり」という。
• 宇宙背景放射 (2.7 K) は、実はこのときの温度が宇宙膨張によって冷え、見えている。

晴れ上がり前（光が電子に散乱されて直進できない）

晴れ上がり後（光は直進）

衛星による宇宙背景放射の観測
宇宙背景放射のスペクトル

宇宙背景放射 = Cosmic Microwave
Background (CMB).
COBE 衛星(the Cosmic Background

光の強度

Explorer)
光子の強度を周波数の関数として測定。
温度：TCMB = 2.725 ± 0.002 K
温度の揺らぎも測定した（下図）

周波数＝光のエネルギー周期表

質量数８の壁をこえて元素を作る必要がある

t = ４億年後•宇宙の晴れ上がりのおかげで、陽子、ヘリウム原子核は中性の「水素原子」、「ヘリウム原子」になった•原子密度の濃い部分が重力によって集まり、星を形成し始める

The star formation region N11B in the LMC taken by WFPC2 on the NASA/ESA Hubble Space
Telescope.

質量数８の壁を超えて星の内部での核融合反応が起こる

�p+p → 2H + e+ + ニュートリノ
�→ e+ e- 2γ
2
H + p →�3He + γ
3He + 3He → 4He + p +p

星のタマネギ構造
水素に始まり、He, C, O, Si
を燃料に燃焼し、星はタマネギ構造をもつ。
中心には最も安定な元素 Fe のコアを形成t = １０億年後〜現在• 鉄は最も安定な元素• 星の中で中性子をゆっくり捕獲しながら、ビスマス (209Bi)元素までを合成できる。

• それより重い元素、例えばウラン、ラジウムなどの重元素はつくれない。

• 何か別の機構が必要。

超新星爆発• 星が末期になると、Fe のコアができる。
• 重力と燃料のエネルギー生成によって星はバランスを取っている• 重力に支えきれなくなると、重力崩壊を起こす。
• 大量の中性子が発生し、鉄と結合• Fe + n + n +n ....
• 大量の重元素（ウランなど）を合成する。
• 超新星爆発によって、宇宙空間にばらまかれる。

ケプラーの超新星 (SN 1604) の超新星残骸。スピッツァー宇宙望遠鏡、ハッブル宇宙
望遠鏡およびチャンドラX線天文台による画像の合成画像。

核図表
陽子の数■ 安定な原子核

中性子の数

RIビームファクトリー（理化学研究所）

元素113 の発見
理化学研究所は9月25日、まだ名前が付けられていな
い113番目の新元素の3例目の合成に成功し、しかもこれまでの2例とは異なる新たな崩壊経路で確認され、113番元素の確定に大きく貢献する成果を上げ、日本、さらにはアジア初となる元素の命名優先権獲得に大きく近づいたことを発表した。

http://news.mynavi.jp/articles/2012/09/28/113element/index.html

t = １３７億年（現在）

左より、パールムッター⽒氏(Saul  Perlmutter)、シュミット⽒氏  (Brian  P.  Schmidt)、リース⽒氏(Adam  G.  Riess)  写真提供：ノーベル財団
宇宙の加速膨張の発⾒見見により、ノーベル物理理学賞受賞  (2011)• 宇宙膨張の速さが「加速」している、つまり速度度を増しながらどんどん宇宙が膨らんでいる、ということを観測から明らかにした５. エピローグ

129

「宇宙史」を振り返る（３）陽子、中性子誕生（３）クォークスープ

t = 1/10,000 秒後（４）宇宙の晴れ上がりt = 1／100万 秒後

t = 38 万年後（２）インフレーション
t = 10-39 〜 10-11 秒後（５）星の形成、Fe空間

t = ４億年後（１）無t=0（６）重元素合成
超新星爆発
t = １０億年後〜（７）宇宙の加速度膨張t = １３７億年（現在）時間
130

「宇宙史」を振り返る（３）陽子、中性子誕生（３）クォークスープ

強い力、物質誕生（４）宇宙の晴れ上がり

強い力の時代電磁気力の時代（２）インフレーション
素粒子に個性が生まれる、
空間（５）星の形成、Fe

４つの力へ分枝（１）無重力、弱い力の時代

火の玉

宇宙の誕生、力は１つ（６）重元素合成
超新星爆発
重力、弱い力（７）宇宙の加速度膨張
重力
時間
131

ウロボロスの蛇
物理学の世界
異なる階層（スケール）が互いに関連し、繋がっている例）宇宙 (1028m)⇅
素粒子(10-18m)
http://www-yukawa.phys.sci.osaka-u.ac.jp/SAP/?SAP%2FProgram%2F11132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)• 「元素はいかにつくられたか」野本憲一編（岩波講座物理の世界, 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）

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• 筑波大学大学院数理物質科学研究科物理学専攻• TEL/FAX : 029-853-4221• 研究室のHP：http://utkhii.px.tsukuba.ac.jp/