素粒子宇宙起源研究所
KMI Kobayashi-Maskawa Institute for the Origin of Particles and the Universe

宇 宙の暗黒に光をあてる

Shed light on the Dark Universe

About KMI
物 質の根 源・宇 宙の起 源は長く人 類が 追 究してきた命 題です。

KMI は、このような名古屋大学の豊かな土壌の上に素粒子・宇The origin of matter and the universe is a subject thatare key experiments in establishing the Standard Model.

名古屋大学素粒子宇宙起源研究所（ KMI ）は、素粒子・宇宙分野

宙研究の分野融合的な研究拠点を築くため、2010 年に設立されま

humanity has long pursued. The Kobayashi-Maskawa InstituteWith its rich history, Nagoya University has become a fertileの国際拠点として、専門分野・言語・文化の垣根を越えて人類のした。名古屋大学の理学研究科、多元数理科学研究科、宇宙地

for the Origin of Particles and the Universe (KMI) of Nagoya

ground for nurturing innovation and producing cutting-edge

球環境研究所（ ISEE ）に所属する素粒子理論・実験分野、宇宙理

University, as an international research hub for particle

research.

英知を集め、この命題に挑んでいます。

論・観測分野、数理物理学分野、宇宙線研究分野の関連研究者
名古屋大学では、大学草創期から独創的な素粒子論研究の礎が坂田昌一博士らによって築かれ、二中間子論、坂田模型、牧・を結集し、現在の標準理論を越える現代物理学の新たな地平を開拓することを目指しています。

physics and astrophysics, is challenging this proposition by

KMI was established in 2010 to build an interdisciplinary

gathering the wisdom of mankind across the boundaries ofresearch base for particle physics and astrophysics research

specialized ﬁelds, languages, and cultures.

at Nagoya University. At present, KMI researchers lead the

At Nagoya University, there have been many outstanding

world in theoretical research that goes beyond the Standard

中川・坂田理論という、その後の物理学の根幹をなす偉大な成果

現 在 、K M I の研 究 者は、標 準 理 論を越える理 論 模 型 、弦 理

achievements in this ﬁeld, such as the two-meson theory, theModel of particle physics. In addition, KMI researchers playが生み出され、2008 年にノーベル物理学賞を受賞した小林・益川論など、独 創 的で活 発な理 論 研 究 活 動で世 界をリードし、LHC-

Sakata model, and the Maki–Nakagawa–Sakata theory. Sucha central role in international experimental collaborations

理論に受け継がれました。また、理論研究とともに、早い時期から

AT L A S 実 験 、スーパーBファクトリー実 験 、スーパーカミオカン

achievements led to the establishment of the Kobayashi–

seeking new physics, such as the LHC-ATLAS experiments,

素粒子・宇宙分野の実験・観測研究が進められ、チャーム粒子、タデ 実 験 、暗 黒 物 質 探 索や、宇 宙 観 測などの新しい現 象の発 見

Maskawa theory, for which Drs. Kobayashi and Maskawa

Super B Factory, Super-Kamiokande experiments, dark matter

ウニュートリノの発見、小林・益川理論を実証したBファクトリー実が 期 待される国 際 的な実 験プロジェクトで中 心 的 役 割を果たし

were awarded the Nobel Prize in Physics in 2008. In addition

searches, and space observations. KMI brings together

験など、現在の素粒子標準理論を確立するうえで鍵となった第一級ています。これらの理 論 研 究・加 速 器 実 験・宇 宙 観 測という様々

to these theoretical efforts, various experimental researchand stimulates cooperations among the human resourcesの研究が行われてきました。

な手 法で研 究を進 める人 材を結 集し、密 接 に 連 携することで、

projects, conducted from the early stages, have produced

who research through various methods, such as theoreticalfirst-class results, including the discovery of the charm

research, accelerator experiments, and space observation.

quark and the tau neutrino, as well as confirmation of the

KMI aims to be a research organization with dynamism only

Kobayashi–Maskawa theory by B-factory experiments. Thesepossible at Nagoya University.

K M I は名 古 屋 大 学でのみ可 能なダイナミズムを持つ研 究 組 織を目指します。

基礎理論研究部門／ Division of Theoretical Studies

BCKMI Organization

宇 宙の - 我々の - 起 源とは？

What is the origin of matter and the universe?
基礎理論研究部門
Division of Theoretical Studies

所長
Director［素粒子論部］
Theoretical Particle Physics Group［弦理論・数理構造部］
String Theory and Mathematics Group［宇宙論部］
Cosmology and Theoretical Astrophysics Group● 理論計算物理室
Computational Theoretical Physics Laboratory

現象解析研究部門
Division of Experimental Studies［フレーバー物理部］
Flavor Physics Group● 宇宙素粒子起源 ●タウレプトン
Fundamental Astroparticle Physics, Tau-Lepton Physics［時空構造起源部］
Origin of Spacetime Structures Group

国際諮問委員会
International Advisory Board

名誉所長：益川敏英、小林誠
Director Emeritus: Drs.Maskawa & Kobayashi

名古屋大学連携組織
Nagoya University Collaboration Organization● 理学部・大学院理学研究科

Graduate School of Science/ School of Science● 実験観測機器開発室
Instrument Development Laboratory● 多元数理科学研究科●タウレプトン データ解析室
Tau-Lepton Data Analysis Laboratory● 宇宙地球環境研究所

Graduate School of Mathematics
Institute for Space-Earth Environmental Research (ISEE)●タウ・レプトン物理研究センター

重フレーバー素粒子物理学国際研究ユニット

World Research Unit for Heavy Flavor Particle Physics

Tau Lepton Physics Research Center
スピッツァー宇宙望遠鏡によるW51 領域

Spitzer Image of Star Factory W51©NASA/JPL-Caltech

01

所長あいさつ
Message from Director
名 古 屋 大 学 素 粒 子 宇 宙 起 源 研 究 所（ Kobayashi-Maskawa

KMI における現在の研究の焦点は暗黒宇宙、すなわち暗黒物質とInstitute for the Origin of Particles and the Universe: KMI ）が暗黒エネルギー、そして消えた反物質の謎の解明です。この使命を遂2010 年に創設されてから10 年が経ちました。KMI は素粒子物理学と行するため、実験と理論の両面から暗黒宇宙の解明につながる新し宇宙物理学の奥に秘められた神秘を探索するために設立されました。

い現象を探求する研究を展開しています。国内外から新しいメンバー

KMIは坂田昌一博士、早川幸男博士、益川敏英博士、小林誠博士なが集まり、また新たな国際共同研究が立ち上がり、こうした研究が強ど数々の先達の精神を受け継ぎ、強力で国際的競争力のある研究グ化されています。 Beyond Kobayashi-Maskawa の掛け声のもループを育成することを重要な使命として、物理学の最前線を切り拓こうとしています。

KMI 創設以来、物理学上の歴史的な発見が相次ぎました。KMIのと、KMI は今後もその特色を生かし世界最前線の研究を主導していきます。

構成員が LHC-ATLAS 共同実験で活躍するなか、ヒッグス粒子が発見されました。KMI はまたOPERA 実験を主導し、名古屋大学で開発

名古屋大学

された原子核乾板を使ってミュー型ニュートリノがタウ型ニュートリノに素粒子宇宙起源研究所

移り変わるニュートリノ振動事象を発見、これによりニュートリノ振動の所長

存在を確立しました。

久野純治

Ten years have passed since the establishment of the

The current focus of research at KMI is on the mystery

Kobayashi-Maskawa Institute for the Origin of Particles andof the dark universe ̶ dark matter and dark energy, and thethe Universe (KMI) in 2010. KMI was established to explore

disappearance of antimatter in the universe. To carry out

the mysteries behind particle physics and astrophysics.

this mission, we are conducting research to explore new

KMI inherits the spirit of many great ancestors, such as

phenomena that lead to the elucidation of the dark universe

Dr. Shoichi Sakata, Dr. Yukio Hayakawa, Dr. Toshihidefrom both experimental and theoretical perspectives. New

Maskawa, and Dr. Makoto Kobayashi, and has an importantmembers are gathering from Japan and overseas, newmission to harness internationally competitive researchinternational joint research projects are being conducted,

groups at Nagoya University.

and these studies are being strengthened. Under theslogan Beyond Kobayashi-Maskawa we will continue toAfter the establishment of KMI, we have witnessed
notable milestones in physics. The Higgs boson waslead the world s cutting-edge research with KMI s uniqueapproach.

discovered, and the members of KMI were active in the
LHC-ATLAS experiment. The members of KMI also led the
OPERA experiment and discovered neutrino oscillation
events, in which mu neutrinos changed from tau neutrinos,
by using the nuclear emulsion technology developed at
Nagoya University.

02

HISANO, Junji
Director
Kobayashi-Maskawa Institute for the Origin of Particles and the Universe
Nagoya University03

素 粒 子 宇 宙 研 究の国 際拠 点

研究拠点形成事業

International Research Hub for Particle Physics and Astrophysics

JSPS Core-to-Core Program, DMNet
研究交流題名：領域横断的アプローチで実現する宇宙

KMIは、素粒子宇宙研究の国際拠点としての役割を果たし、

暗黒物質解明のための国際研究拠点構築（ DMNet ）素粒子・宇宙分野の国際拠点として、専門分野・言語・文化の垣根を越えて先端知を融合し、新しい物理の開拓に挑んでいます。

採択期間：令和 2 年度〜令和 6 年度

KMI is an international hub for bringing together researchers from all over the world.

Title: International research network to reveal dark

We are exploring new frontiers of physics by integrating cutting-edge knowledge

matter in the universe by a multidisciplinary approachand skill across the boundaries of various expertise, languages, and cultures.

in particle and astrophysics, DMNet
Period of adoption: FY 2020 to FY 2024
● Max Planck Institute for Nuclear Physics | Germany● National Institute for Nuclear Physics, Padova Division | Italy● The University of Edinburgh | UK

KMI School
毎年開催されるKMIスクールでは、優れた研究者を講師として招待し、レクチャーやチュートリアルを通して、特定のテーマについて深く学ぶことを目的にしています。国内外の大学院生や若手研究者を対象としたスクールです。2018 年以来、暗黒物質、CP の破れ、機械学習などをテーマに開催されてきました。

Each year, the KMI School invites outstanding researchers as
lecturers, with the aim of deeply learning about a particular theme
through lectures and tutorials. It is intended for graduate students
and young researchers in Japan and overseas. Since 2018, theschool focused on several themes, including dark matter, CPviolation, and machine learning.

● Institute for Basic Science | Korea

国際的なネットワーク
International Partner Institutes
KMIは現在、東アジアとヨーロッパの 8 つの研究機関と学術的パート
ナーシップ協定を結び、研究者や学生の積極的な交流を促進しています。今後、世界の他の地域にもさらに拡大していく予定です。また、日KMI International Symposium

本学術振興会の研究拠点形成事業に採択され、世界各国の研究教育拠点機関をつなぐ協力関係の確立を目指しています。

KMI 国際シンポジウムは、関連分野における最先端の研究の現状と展

KMI has academic partnership agreements with eight institutions in

望を確認し、学際的研究の展開を目指すものです。2 年に1 度、名古屋

East Asia and Europe to promote the active exchange of researchers

大学のKMIで開催されます。

and students. We plan to expand the network to other parts of theworld. KMI also conducts the Core-to-Core program of the JapanThe KMI International Symposium is held biennially at KMI, Nagoya

Society for the Promotion of Science (JSPS).

University. The aim of the KMI symposium is to review the status
and prospects of cutting-edge research in relevant fields, and to● Tel Aviv University, School of Physics and Astronomy | Israel

develop interdisciplinary research to approach the mysteries of the● Institute of Physics and Applied Physics (IPAP), Yonsei University | Korea

dark universe.

● Jozef Stefan Institute | Slovenia● Higgs Centre for Theoretical Physics, The University of Edinburgh | UK
● Institute of Space Studies of Catalonia (IEEC) | Spain● Institute of Theoretical Physics, The Chinese Academy of Sciences | China● National Institute for Nuclear Physics, Padova Division | Italy● The University of

Naples, Federico II, Department of Physics Ettore Pancini | Italy

As of October, 2020 / Order of conclusion of agreements

0405基礎理論研究部門
Division of Theoretical Studies
名古屋大学では坂田昌一博士から始まる理論物理学の独創的な研究の輝かしい伝統が連綿と受け継がれています。坂田博士とその共同研究者が達成した二中間子論、坂田模型、ニュートリノ振動の牧・中川・坂田理論等の数多くの重要な成果は、小林・益川理論など素粒子の標準理論の研究につながり、小林・益川両博士の2008 年度ノーベル物理学賞受賞をもたらしています。
この理論研究の伝統を引き継いだ基礎理論研究部門では、素粒子論部、宇宙論部、弦理論・数理構造部の三つの部が、素粒子論、数理、重力理論や観測的宇宙論などの多様な理論的アプローチにより、標準理論のさらなる理解と、標準理論では説明できない暗黒物質や暗黒エネル
ギーなど未知の存在についての理論研究を行っています。

KMIでは様々な観測・実験プロジェクトに参加していますが、これらの実験的研究は理論的研究とは相補的な関係にあります。基礎理論研究部門は現象解析部門と協力し、新たな模型の構築
や様々な模型についての理論的な無矛盾性や現実性、また実験や観測での検証の可能性について活発に研究を行い、標準理論を超える理論の構築を目指しています。

At Nagoya University, a brilliant tradition of ingenious research on theoretical physics
starting from Dr. Shoichi Sakata has been uninterruptedly inherited. The numerous
important achievements of Dr. Sakata and his collaborators, such as the two-meson
theory, Sakata model, and Maki–Nakagawa–Sakata theory about neutrino oscillation,
have led to research on the Standard Model of particles, including the Kobayashi–
Maskawa theory, resulting in the award of the Nobel Prize in Physics in 2008 for Drs.
Kabayashi and Maskawa.
The Kobayashi–Maskawa theory is included in the Standard Model of particles,
which is now established, and it has been clarified that there exist unknown
entities such as dark matter and dark energy that cannot be explained by theStandard Model. At KMI, we participate in various projects of accelerator and nonaccelerator experiments, as well as cosmological observations, in order to solvethese mysteries. These experimental studies have a complementary relation withtheoretical research. In the Division of Theoretical Studies, in cooperation with
the Division of Experimental Studies, three groups inherit the tradition of researchat Nagoya University and actively proceed with research for the constructionof physics beyond the Standard Model. The consistencies and reality of suchtheories are checked to find possibilities for the verification of the models fromvarious directions.
宇宙マイクロ波背景放射の偏光 / Polarization of the Cosmic Microwave Background / ©ESA/Planck Collaboration

素粒子論部

弦理論・数理構造部

Theoretical Particle Physics Groupu

多様な理論的アプローチにより、

c

t

g

H

素粒子標準理論のより深い理解と、素粒子標準理論を超える物理の探求を目指します。

We aim to deepen our understandingof the Standard Modeland explore new physics beyond the Standard Model

d

s

b

νe

νμ

ντ

γ
Z

through various theoretical approaches.

e

μ

τ

W

素粒子標準理論を構成する粒子

Standard Model of elementary particles

わたしたちの世界は、どのような物質を基本要素として構成されている

ところが現在、標準理論の枠組みを超える物理の存在を示唆する事のでしょうか？ またそれらはどのような物理法則にしたがっているのでしょ

実が数多く知られています。例えば、素粒子質量の起源の謎、暗黒

うか？

物 質・暗 黒エネルギーの正 体 、ニュートリノ振 動 実 験が示 唆する小さ

小林・益川理論をはじめとするこれまでの素粒子論研究により、3 世代のなニュートリノ質量の存在は、標準理論では説明ができません。さらに、クォーク・レプトンを基本要素（素粒子）とし、ゲージ場の理論によって素標準理論の枠内においても「カラーの閉じ込め」や「カイラル対称性の粒子相互作用を記述する「素粒子標準理論」が確立されました。標準

力学的破れ」など、現在の手法では本質的に解明できない現象が含ま理論は長年にわたる精密実験によりその正しさが確かめられてきました。 れています。
のLHC 実験において、
さらに、2012 年にCERN（欧州原子核研究機構）

素粒子論部では、様々な専門知を結集し、独自のアプローチで標準理標準理論を構成する素粒子のうち唯一未発見であったヒッグス粒子が論の深い理解と標準理論を超える物理の探求を目指しています。また、発見され、標準理論は、この世界の成り立ちを記述する理論として、ひKMI の多様な専門性をもつ研究者と連携し、素粒子物理学と宇宙物

とつの完成を見たと言えます。

理学にまたがるテーマの解明に取り組んでいます。

String Theory and Mathematics Group（電磁気力、強い力、弱い力、重力）が存
自然界には4つの基本的な力組んでいます。これはゲージ理論と（重力理論を含む）弦理論という一見在します。重力を除く3つの力についてはゲージ場の量子論を用いて標異なる2つの理論が、実は等価であるという驚くべき主張です。これに関準理論が構築され、多くの実験事実を統一的に説明できます。一方、（陽子・中性子、中間子などの総称）の物理へ連してKMIではハドロン

重力理論は一般相対性理論で非常によく記述できますが、ゲージ場のの適用を進めています。さらに、ゲージ理論・弦理論対応によって数学か量子論と整合しない問題があります。弦理論は、重力子を含むあらゆるらのアプローチでは予想できない等式を生み出し、無限可積分系や量素粒子を弦の様々な振動モードと見なすことにより、この問題の解決を

子幾何不変量といった弦理論のもつ数理構造の研究も展開しています。

試みる理論です。自然界の基本的な力の統一理論を無矛盾に構築す

この研究は、弦理論の強結合極限で現れると信じられているM 理論のることは、物質や宇宙の起源が何であるかという問いを追求するうえで解明にも関係すると期待しています。また、弦理論を含む重力理論の数重要な課題であり、弦理論はそのような統一理論の最有力候補です。

理構造の解明のため、高次元ブラックホールや宇宙論を通じた多角的弦理論の様々な側面の中で、KMIではゲージ理論・弦理論対応に取りな研究も行っています。

Nature has four fundamental forces: electromagnetic, strong, weak,

Our group focuses on the correspondence between gauge theory

and gravitational forces. Except for the gravitational force, the otherand string theory, and one surprising claim is that these two

three are described by quantum gauge theory in the Standard

seemingly different theories are actually equivalent. One of ourModel, which explains many experimental results in a unified way.

projects applies this correspondence to hadron physics. Furthermore,

Although general relativity can describe gravity very well, it is quantum

this correspondence predicts nontrivial mathematical structures:

mechanically inconsistent with gauge field theory. String theory aims

integrable systems and quantum topological invariants. We study

to resolve this problem by postulating that all particles are variations

these mathematical structures to understand the M-theory, whichof oscillation modes on a string. In the quest for the origin of matteris believed to emerge at the strong coupling limit of string theory.

and the universe, it is crucial to construct a consistent unified theory.

Through higher dimensional black holes and cosmology, we are also

String theory is regarded as the most promising candidate.

investigating the mathematical features of gravitational theories.

ゲージ理論・弦理論対応を用いたハドロン物理の模型（酒井 - 杉本模型）

Model of hadron physics using the gauge theory-string theory correspondence(Sakai-Sugimoto model)

What elements is the universe made of? What laws govern them?

However, the Standard Model cannot explain some recent findings,

Physicists have introduced three generations of quarks and leptons

such as the origin of mass, dark matter, dark energy, and the non-

(Kobayashi–Maskawa theory) as the fundamental elements, andzero mass of neutrinos. Even within the Standard Model, there arehave exploited gauge theory to explain their interactions. Thisphenomena that cannot be solved, such as color confinement andtheoretical framework is recognized as the Standard Model of the

dynamical chiral symmetry breaking.

elementary particles, which has been confirmed through many years

Integrating a variety of expert knowledge, we pursue a deeperof precise experiments. The Standard Model was completed as theunderstanding of the Standard Model and physics beyond the

数理の視点から、弦理論や重力をはじめとする

most plausible model for describing our world by the discovery ofStandard Model. At KMI, we are also working with researchers with

物理学の数理構造を解き明かします。

the Higgs boson, the last particle that was discovered among thediverse expertise to unravel themes that span particle physics andFrom the viewpoint of mathematics,

elementary particles, in the LHC experiment at CERN (European

astrophysics.

we explore the mathematical structure of physics,

Organization for Nuclear Research) in 2012.

基礎理論研究部門／ Division of Theoretical Studies

including string theory and gravity.

08

09

宇宙論部

Cosmology and Theoretical Astrophysics Group

宇宙創成から現在までの約 140 億年にもおよぶ時間の流れの中で、宇素粒子と宇宙は、それぞれ極微と極大の世界でありながら、お互いに有宙は多様な階層構造を形成してきました。わたしたちは最新の観測デー

機的なつながりを持っています。その発見に2011 年度ノーベル物理学

タにもとづき、宇宙の構造の成り立ちを理論的に解明することにより、賞が与えられた現在の宇宙の加速膨張は、素粒子理論の視点から見る

宇宙の本質に迫り、その背後に潜む重力理論や素粒子理論をも明らかと異常な現象であり、量子重力理論との関連も指摘されています。また、にしようとしています。

素粒子物理学において、自然界の基本的な4 つの相互作用、電磁気

近年、宇宙の観測技術は急速に向上しています。豊富な観測データ

力・弱い力・強い力・重力のうち、重力だけは対応する素粒子物理学のに基づいて定量的に宇宙全体の姿を明らかにしようとする研究分野は、理論（場の量子論）
が分かっていません。観測的宇宙論によって、宇宙「観測的宇宙論」と呼ばれます。わたしたちは理論的アプローチにより、大規模構造の進化のより深い理解を得ることは、一般相対性理論を超観測データの説明や予言、最適な観測戦略の導出等に重要な役割をえた重力理論を探る有力な手立てであり、素粒子論と宇宙論にまたが果たしています。また数値シミュレーションは「数値実験」
として宇宙のる問題に迫ることができると期待されています。

構造形成の研究に重要な役割を担っています。

Since the formation of the universe 14 billion years ago, various

Particle physics and cosmology study respectively the microscopic

hierarchical structures have evolved. By theoretically elucidating theand macroscopic scales, however they are closely connected. The

structure of the universe based on the latest observational data, we

accelerated expansion is an unexpected phenomenon from theare getting closer to understanding the nature of the universe andviewpoint of particle theory, and is considered to have connections

the gravitational and particle theories behind it.

with quantum gravity. Out of the four fundamental interactions ofRecently, space observation technologies have rapidly improved.

nature, only gravity is yet to be described within the framework of

Observational cosmology quantitatively studies the evolution of thequantum field theory. Observational cosmology is a powerful means

universe, based on the rich observational data. We take theoreticalof exploring gravity theories that go beyond general relativity, and isapproaches towards understanding data, making further predictions,

expected to shed light on mysteries that span from particle physics

and optimizing observation strategies. We also perform numericalto cosmology.

experiments to study the structure formation of our universe.

過去の光が重力レンズ効果により歪むイメージ図

Deflecting light from the Big Bang (artist's impression)©ESA and the Planck Collaboration

観測的宇宙論の手法や重力理論の研究により、宇宙物理学と素粒子物理学の融合研究を行なっています。

We study observational cosmology
as well as theories of gravity,with the aim of addressing fundamental issues
in astrophysics and particle physics.
暗黒物質素粒子が暗黒になる瞬間
基礎理論研究部門／ Division of Theoretical Studies

10

The moment dark matter becomes dark11

現象解析研究部門
Division of Experimental Studies
現象解析研究部門は、極微の世界で起きる素粒子現象から、広大な宇宙で起きている時空構造に関わる現象まで、我々が住む世界の起源に迫る現象の解明を目指しています。これまでには、小林・益川理論の検証の場となったBファ
クトリー実験や、ヒッグス粒子を発見したLHC-ATLAS 実験、タウニュートリノ出現事象の検出によってニュートリノ振動の最終検証を行ったOPERA 実験、最高エネルギーでのハドロン反応を調べるLHCf 実験、ブラックホールなどの時
空構造を調べるX 線観測で数々の成果をあげてきました。
現在は、これらの研究を発展させたスーパーBファクトリー実験や、エネルギーを増強したLHC-ATLAS 実験、LHCf 実
験での研究を拡張したRHICf 実験に加えて、中性子基礎物理実験、独自の原子核乾板技術を駆使した暗黒物質探索、高エネルギーガンマ線の観測や新しいX 線観測衛星プロジェクトなどを推進しています。こうした実験・観測研究により、標準理論を超える新物理の発見とともに、なぜ宇宙から反物質が消えたのか? 暗黒物質の正体は何か? といった謎の解明につなげたいと考えています。
当部門は、最先端の実験・観測研究を支える基盤として、加速器実験で得られた大量のデータを高速に解析できる独自の計算機システム（タウレプトンデータ解析室）や、実験・観測研究に必要となる機器の独自開発研究を目的とした実験観測機器開発室も備えています。

The Division of Experimental Studies aims to elucidate phenomena related to the origin of the universe,
ranging from elementary particles to the large-scale structure of spacetime. Since its foundation,
we have made a number of advances in the B-factory experiment to verify the Kobayashi–Maskawa
theory, the LHC-ATLAS experiment to discover the Higgs boson, the OPERA experiment to confirm
the neutrino oscillation with detection of τ neutrino appearance, the LHCf experiment to study hadroninteractions at extremely high energy, and X-ray observations to study black hole phenomena.
Currently, we further develop these studies with the Super B Factory experiment, the LHC-ATLAS
experiment with increased energy, and the RHICf experiment to further extend the studies made by
LHCf. Furthermore, we promote fundamental physics experiments with neutrons, a direct search fordark matter using the original nuclear emulsion technique, high-energy gamma-ray observation, anda new X-ray observation satellite project. With these experimental and observational studies, we
aim to ﬁnd new physics beyond the Standard Model, and to unravel the mysteries of why antimatter
disappeared from the universe and the nature of dark matter.
The Division of Experimental Studies also has two laboratories. To produce cutting-edge research
results in a timely fashion, a powerful dedicated computer facility (Tau-Lepton Data Analysis
Laboratory) promptly analyzes data collected by accelerator experiments. Additionally, theInstrument Development Laboratory can develop the innovative instruments required for ourobservations and measurements.
CERNのATLAS 検出器 / The ATLAS detector at CERN / ©CERN

フレーバー物理部：宇宙素粒子起源 Flavor Physics Group: Fundamental Astroparticle Physics

フレーバー物理部：タウレプトン

Flavor Physics Group: Tau-Lepton Physics

宇宙線・暗黒物質・ニュートリノなどの実験観測を通して、素粒子加速器実験では、巨大な加速器で光速近くまで加速した粒子をを超える新物理に迫ります。

宇宙物理学と素粒子物理学の融合研究を推進します。

衝突させ、ビッグバン直後の高エネルギー状態を再現し、宇宙の始まり

2012 年にヒッグス粒子を発見した、スイスの CERN（欧州原子核研究

Through experimental observations of cosmic rays,

や未知の現象を調べます。KMIのメンバーは、国際的な加速器実験プ

機構）
でのLHC-ATLAS 実験では、世界最高エネルギーの陽子衝突に

dark matter, neutrinos, etc.,

ロジェクトで重要な役割を果たしています。

よる研究を進めています。ヒッグス粒子の精密測定により、素粒子の質

we will promote interdisciplinary research

茨城県の高エネルギー加速器研究機構 KEKで行われているスーパーB

量獲得メカニズムの解明を目指すとともに、超対称性粒子や暗黒物質

between astrophysics and particle physics.

ファクトリー実験（ SuperKEKB/Belle II 実験）
では、電子・陽電子衝突など新粒子の直接探索およびトップクォークの測定により新物理の探で生成されたタウレプトンや B 中間子の崩壊データにより、世界最高感

索を進めています。

度で新物理の探索を行っています。前身の Bファクトリー実験は小林・

さらに、これらの高エネルギー加速器実験に加え、茨城県那珂郡東海

益川理論の検証測定を行い、小林・益川両氏のノーベル物理学賞受

村のJ-PARCでは低エネルギー中性子を用いた精密測定によって標準賞に直接貢献しました。名古屋大学はタウレプトンに注目した研究を軸

理論を超える新現象を探求する実験も行っています。

に、スーパーBファクトリーでも中心的な役割を果たし、小林・益川理論
LHC 加速器トンネル内に設置されたLHCf 検出器
Detector for the LHCf experiment installed at the LHC tunnel

Colliding particles at near-light-speed, we reproduce very high-beyond the Kobayashi–Maskawa theory.

energy states to investigate the beginning of the universe and

The LHC-ATLAS experiment at CERN, where the Higgs boson was

unknown phenomena. KMI plays an important role in international

discovered in 2012 using proton–proton collisions at the world’s

accelerator experimental projects.

highest energy, elucidates the mechanism of particles acquiring their

The SuperKEKB/Belle II Experiment at KEK in Tsukuba aims to findmasses by precisely measuring the properties of the Higgs boson.

new physics using data on tau leptons and B mesons generated

We search for new particles, such as supersymmetry and dark

by electron–positron collisions at the world’s highest luminosity. Its

matter, and explore new physics by measuring top quark properties.

predecessor, the KEKB/Belle Experiment, verified the Kobayashi–

In addition to these high-energy experiments, at the J-PARC facility

宇宙から地球に降り注ぐ宇宙線には、素粒子物理と宇宙物理にまたがが有限の質量をもつことが予想されていますが、詳細は解明されていまる様々な謎が潜んでいます。宇宙線の中には、加速器で人類が作り出せん。OPERA 実験では、名古屋大学独自の技術である原子核乾板検せる最高エネルギーよりも8 桁も高いエネルギーに達するものがあります

出器で、ニュートリノ振動でできたタウ型ニュートリノを直接捉えることにが、このような超高エネルギー宇宙線が、宇宙のどこでどのように生成

世界で初めて成功しました。さらに、宇宙の起源の鍵となる暗黒物質にされるかはわかっていません。LHCf 実験・RHICf 実験では、加速器によ関する研究も行われています。加速器による未知の粒子や反応の探索、る粒子衝突で最前方に放出される粒子に特化した測定により、超高エキセノンを用いた検出器や名古屋大学独自開発の超高分解能原子核

ネルギー宇宙線が大気中で引き起こす「 空気シャワー」現象の理解と乾板を用いた直接検出実験、暗黒物質の対消滅によって生じるガンマ

Maskawa theory, and led them to the Nobel Prize in Physics.

in Tokai, we are conducting experiments using low-energy neutrons

宇宙線観測精度の向上に貢献しています。また、ニュートリノの性質は、線を検出する間接検出実験、中性子を用いた未知の力の探索などさま

Members of Nagoya have played a central role in the experiment

to explore new phenomena beyond the Standard Model.

宇宙の進化や物質の成り立ちの理解に重要です。名古屋大学の牧・

ざまな実験的アプローチを進めています。

since the time of the KEKB/Belle, and are exploring new physics

中川・坂田により提唱された「ニュートリノ振動現象」
を通じてニュートリノ
Belle II 測定器 / The Belle II detector

Cosmic rays reveal various mysteries, ranging from particle physics

the neutrino oscillation phenomenon proposed by Maki–Nakagawa–to astrophysics. Some cosmic rays reach an energy that is eight

Sakata at Nagoya University predicted a finite neutrino mass, theorders of magnitude higher than the maximum energy produced

origin of this mass is still unknown. In the OPERA experiment, wein accelerators, but how and where such very high-energy cosmic

directly captured tau neutrinos generated by neutrino oscillation forrays are generated is unknown. By measuring particles emitted at

the first time in the world with nuclear emulsion detectors developed

accelerators at the LHCf and RHICf experiments, we are studying

at Nagoya University. Dark matter and dark energy are the keys to

加速器実験により、素粒子標準理論の精密な検証と、

the mechanism of the air shower phenomenon caused by very

the origin of the universe. We are advancing various experimental

未知の物理現象の探索を行います。

high-energy cosmic rays in the atmosphere and improving theapproaches to search for dark matter using accelerators, liquid

We conduct particle accelerator experiments

accuracy of cosmic ray observations. Neutrinos are important forxenon detectors, and ultra-high-resolution nuclear emulsions, and tofor the ultimate test of the Standard Model andunderstanding the evolution and formation of the universe. Althoughsearch for dark energy using neutrons.

for the search for new physics beyond.

現象解析研究部門／ Division of Experimental Studies

14©KEK/Belle II15

時空構造起源部

Origin of Spacetime Structures Group

アインシュタインの相対性理論が予言した究極の天体「ブラックホールの成長そのものを止める力を持ち、137 億年の宇宙の成長史を理解す（ BH ）」は、光をも飲み込む、文字通り宇宙一の暗黒天体です。2015

る上でも、最も重要な研究対象の一つです。

年に検出された重力波は、太陽質量の 30 倍ほどの BH の合体の証拠

私たちは、人工衛星によるX 線観測を軸とし、BHに飲み込まれる直前

であり、2019 年には電波干渉系でM87 銀河の巨大 BH の「黒い穴」のの物質が発するX 線を捕らえ、強度変動やスペクトル情報からBH 近傍撮像に成功し、その質量が太陽の7x109 倍に達することを確認しました。

の時空構造や成長メカニズム解明に直結する物理量の導出を行ない

BHは強大な重力で周りの時空構造を極端に歪めるため、一般相対性

ます。電波やγ線の観測データも組み合わせ、粒子加速の探査も行い理論をはじめとする基礎物理法則を検証する貴重な実験場です。星間ます。また理論的なアプローチとして、BHからのエネルギー抽出の基物質をかき集めて加速することでBH 周辺に莫大なエネルギーを生み、本的メカニズムを検討し、放射メカニズムの理論的モデルを構築して観

可視光やX 線を強く放射し、ジェットと呼ばれる高速の物質流を噴出しま

測と比較します。その他にも、流体系を用いた擬似的 BHの研究により、す。銀河の中心に鎮座する巨大 BHは、星間ガスを弾き飛ばして銀河

BH 蒸発現象を実験室内で検証する可能性を探っています。

The ultimate object predicted by Einstein’s theory of relativity,

away interstellar gas, and is one of the most important subjects forthe black hole (BH), is literally the darkest body in the universe,

understanding the 13.7 billion year evolution of our universe.

swallowing even light. BHs are a valuable experimental field for

Using satellite X-ray observations, we investigate the strongly curved

verifying fundamental physical laws, including general relativity

spacetime and evaluate the growth mechanism and speed of BHs

theory, because they severely distort the space-time structure owing

in the universe. Intensive particle acceleration occurs within the jet,to their powerful gravity. By gathering and accelerating interstellar

and it becomes bright in radio and gamma-ray bands. Theoreticalmatter, enormous energy is generated around a BH and bright visible

research on the energy extraction mechanism and resultant emission

light and X-rays are emitted. In addition, a high-speed flow of mattermodels is also performed, as well as an innovative hydrodynamicalcalled a jet is produced. The giant BH located in the center of theapproach to “reproduce” a BH in the laboratory and verify its

galaxy has the power to stop the growth of the galaxy by blowing

evaporation.

ブラックホール周辺の高温コロナやジェットの想像図

An artistic impression image of hot corona and jets around a BH
©NASA/JPL-Caltech

最新機器による飛翔体観測および独創的な理論研究により、ブラックホールの素顔を暴く研究を行っています。

Our group aims to reveal the nature of black holes
by developing new generation X-ray observatories
and by innovative theoretical approaches.
名古屋大学の技術による原子核乾板で捉えた宇宙線による高エネルギー現象
現象解析研究部門／ Division of Experimental Studies

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Cosmic rays captured with nuclear emulsion detectors developed at Nagoya University / ©Fundamental Particle Physics Laboratory, Nagoya University

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実験観測機器開発室

タウレプトン データ解析室・理論計算物理室

Instrument Development Laboratory

Tau-Lepton Data Analysis Laboratory / Computational Theoretical Physics Laboratory

現象解析研究部門のタウレプトン データ解析室、基礎理論研究部門の理論計算物理室では、大規模なコンピュータ・ネットワークで国際的な実験プロジェクトや理論計算を支えています。

Tau-Lepton Data Analysis Laboratory andComputational Theoretical Physics Laboratory
support international experimental projects
硬 X 線望遠鏡。多層膜で高エネルギーX 線を集光結像する。

世界最高速の原子核乾板飛跡読み取り装置。

using a large-scale network of computers「ひとみ」衛星にも搭載。性能向上型や検出器も開発中。

毎時 0.45m 2の処理能力を実現した。

and numerical calculations of theoretical researches.

A hard X-ray telescope, which is a grazing incident angle optical device,

Implementation of the world’s fastest nuclear emulsion readout system,
achieving a readout throughput of 0.45 m2 / h.

that focuses hard X-rays. A higher resolution version is under development.

名古屋大学発の新型チェレンコフ検出器、Belle II 実験 TOPカウンター。

LHCf 実験で用いられる超小型サンプリングカロリメータ較正試験。

The Belle II TOP counter, a novel Cherenkov detector developedat Nagoya University.

A test bench built for ultra-small sampling calorimeter elements
for the LHCf experiment.

素粒子実験において、加速器・検出器と並んで重要な役割を果たすの2012 年にスーパーコンピュータ「 φ 」が導入され、名古屋大学を中心がコンピュータです。近年、素粒子実験の大型化とともに、実験の遂行に日本中で素粒子物理の大規模数値計算に使われました。2015 年のに必要な計算機資源も莫大なものとなっています。Belle II 実験では、ス

シャットダウンの後は、KMI のクラスタシステムがφやその他の計算機

トレージが数 100PB 、CPUが 10 万 core 以上も必要になります。Belleで生成された一部のファイルのバックアップシステムとして使われておIIではそのような莫大な計算機資源を得るために、世界中の共同機関・り、それに基づく研究成果が現在でも論文として発表されています。ま大学のコンピュータをネットワークで繋ぎ、1 つの巨大なコンピュータとした、KMIでは、クォークやグルーオンの高温・高密度下での性質や量子て用いる分散コンピューティングと呼ばれる技術を用いています。タウレ

色力学（ QCD ）の相転移現象を解明することを目標に、計算機を用いプトンデータ解析室では、250TB 、500core の CPUを有し世界中の計た研究を行っています。高エネルギー原子核衝突実験で得られた高精算機と高速ネットワークで繋がりBelle IIデータ解析の一翼を担うととも度の結果、理論の発展、計算機の向上によって、QCD の様々な性質に、分散コンピューティングの技術開発や運用を進めています。

を定量的に明らかにすることが今まさに可能になり、精力的に取り組ん

理 論 研 究においても大 規 模 数 値 計 算が 必 須となる分 野があります。 でいます。

Computers are integral for performing particle physics experiments,

The supercomputer “Phi,” introduced at KMI in 2012, was used forand the computing resources required have increased owing tolarge-scale numerical calculations in particle physics throughout

the growing size of experiments. The Belle II experiment requires

Japan. After its shutdown in 2015, a cluster system in KMI was useda storage of several hundred PB and approximately 100,000 CPU

as backup, and even at present, research results based on thesecores; therefore, it operates a “distributed computing system” thatdata are published. We plan to investigate the properties of quarks

connects the computing resources prepared in universities andand gluons under conditions of high temperature and density andInvestigating the unknown world also means technological innovation for conducting research studies.

institutes worldwide. KMI’s Tau-Lepton Data Analysis Laboratory

mechanism of phase transition in quantum chromodynamics (QCD)

新物理の開拓を目指す最先端の研究には、新しい技術の開発が不可欠です。

KMIには技術開発のためのプロジェクト室があり名古屋大学の「ものづくり」精神に則り素粒子や宇宙の謎を解明すべく、最新の実験観測機器を開発しています。中には素粒子物理実験にとどまらず新用途にも道を開く新技術もあります。

In accordance with the manufacturing spirit of Nagoya,contributes Belle II data analysis using its computer resources of 250

using PC clusters. High-precision experimental data of high-energy

KMI has a project room for technological development and is developing the latest experimental observation equipment

TB disks and 500 CPU cores, as well as is developing and operating

heavy-ion collisions, development of theory, and advancement in theto unravel the mysteries of elementary particles and the universe.

the distributed computing for Belle II.

performance of computers enable us to quantitatively understandSome of these new technologies will pave the way for new applications beyond particle physics experiments.

Numerical calculations are also essential to theoretical research.

various aspects of QCD.

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重フレーバー素粒子物理学国際研究ユニット
World Research Unit for Heavy Flavor Particle Physics

本研究ユニットでは、名古屋大学の素粒子研究の特徴となっているタウ

によって新物理の情報を引き出してゆきます。

レプトンおよびトップ、ボトム、チャームクォークに注目した加速器実験と

L H C - AT L A S 実 験ではエネルギーと衝 突 性 能 の 増 強が 進む一 方 、理論研究により、標準理論を超える新しい物理世界の探索を進めてい2019 年からはSuperKEKB/Belle II 実験が本格的に始まり、「 重フます。質量の大きさから「重フレーバー素粒子」と総称されるこれらの素

レーバー素粒子物理学」はエキサイティングな時期を迎えています。

粒子は、新物理への感度が高いと考えられています。

こうした研究により、宇宙の物質優勢や暗黒物質問題に代表される宇本ユニットでは、高エネルギー衝突により新粒子を直接探索する「エネ宙の謎の解明を目指しています。

ルギーフロンティア」の LHC-ATLAS 実験と、精密測定データから量子ループに出現する新粒子の証拠を探る「ルミノシティーフロンティア」のユニット構成員 ： 飯嶋徹、戸本誠、久野純治、Peter Krizan（ヨゼフ・SuperKEKB/Belle II 実験の相補的なデータを統合し、理論的な考察

ステファン研究所）、Alessandro Gaz 、松岡広大

The World Research Unit for Heavy Flavor Particle Physics is

new physics by conducting a theoretical investigation of experimental

exploring new physics beyond the Standard Model throughdata. We are entering an exciting time of “heavy flavor particle

accelerator experiments and theoretical research focusing on the tau

physics.” The LHC-ATLAS experiment is progressing by enhancing

lepton as well as top, bottom, and charm quarks. These elementary

the energy and collision performance, while the SuperKEKB/Belle IIparticles, collectively called “heavy flavor particles,” have large

experiment has just started in 2019.

masses. Therefore, they are sensitive probes for new physics.

Through such research studies, we aim to elucidate the mysteries of

We participate to the LHC-ATLAS experiments at the “energy

the universe: Why did antimatter disappear from the universe? What

frontier” and the SuperKEKB/Belle II experiment at the “luminosity

is dark matter?

frontier,” which explore new physics by direct search using highenergy particle collisions, and by indirect search using very precise

Unit members: Toru Iijima, Makoto Tomoto, Junji Hisano, Petermeasurements, respectively. We then aim to extract information on

Krizan (Jozef Stefan Institute), Alessandro Gaz, Kodai Matsuoka

Mini-workshop at Nagoya University in 2017

重フレーバー素粒子に注目した高エネルギー加速器実験と理論研究の国際連携により新物理の発見を目指しています。

Exploring new physics throughinternational collaboration between
high-energy accelerator experiments
and theoretical research focusing
on heavy flavor particles.

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宇 宙 、そして私たちの存 在の起 源を解 明するため、
世 界 中から才 能が集まる場 所 、それが KMI です。

KMI is a place where talents gather from all over the world
to find out the origin of the universe and our existence.

KMI
名古屋大学 素粒子宇宙起源研究所

Kobayashi-Maskawa Institute for the Origin of Particles and the Universe, Nagoya University〒464-8602 愛 知 県 名 古 屋 市 千 種 区 不 老 町

Furo-cho, Chikusa-ku, Nagoya Aichi 464-8602, JAPANwww.kmi.nagoya-u.ac.jp