Issue 1 / 2020www.kmi.nagoya-u.ac.jp

KMI - Kobayashi-Maskawa Institutefor the Origin of Particles and the Universe
素 粒子宇宙起源 研 究 所

What is the origin of matter and the universe?
宇宙の - 我々の - 起源とは ?
宇宙は何からできているのか、時空の起源とは、

KMI

物質はどこから生まれたか、

名古屋大学 素粒子宇宙起源研究所

そして、万物を支配する法則はあるのか。

Kobayashi-Maskawa Institute

KMIは、長年人類が追いかけてきた

for the Origin of Particles and the Universe

これらの問いの答えを見つけるための組織です。
KMI tries to answer the biggest questions of all time:
What is the universe made of ?
What is the origin of spacetime ?

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

How did physical matter come about ?
Is there an ultimate law governing the universe?
KMI researchers are exploring new frontiers in modern

KMI Unfolded Issue 1 / 2020
Editorial team: Masaaki Kitaguchi, Azusa Minamizaki, Masaharu Tanabashi, Shuichiro Yokoyama

physics by revealing the mysteries of elementary particles andWriters: Kiyotomo Ichiki, Yoshitaka Itow, Yuji Kato, Shingo Kazama, Tatsuhiro Naka,

the universe itself.

Design: opportune design Inc.

Kazuhiro Nakazawa, Yasusada Nambu, Akira Okumura, Tetsuya Shiromizu, Makoto TomotoMissions of KMI ／素粒子宇宙分野の未解決問題

The Dark Universe

Missing Antimatter

近年の宇宙マイクロ波背景輻射や大規模構造といった宇宙論

宇宙初期、物質・反物質は同数生成されたはずだが、現在の宇暗黒宇宙

消えた反物質的観測の目覚ましい進歩により、宇宙膨張や構造の進化の様子

宙では反物質はほとんど観測されない。宇宙は膨張とともに冷えが精密に測定されてきている。その結果、我々の宇宙は現代物ていき物質と反物質は対消滅したが、粒子・反粒子の性質の違理学では定義できない正体不明の「暗黒」に支配されていること

い、例えば反応や崩壊確率の違いによって物質のみがわずかにが明らかになった。宇宙を加速度的に膨張させる「暗黒」エネル

生き残ったと考えられている。この粒子・反粒子の性質の違いはギーが 68% 、構造の進化を支配する「 暗黒 」物質が 27％という「 CP 対称性の破れ」といい、実験によっても確認されているが、結果である。原子や分子など我々が理解している構成要素は宇れる宇宙の物質の量を説明するには小さすぎることもわかってい宙のたったの 4％に過ぎないのだ。宇宙論のみならず、素粒子物る。大きなCP 対称性の破れの探索は標準模型を超える物理理た世界的競争が激しい時代となっている。

繰り広げられている。

Thanks to recent developments in cosmological

Although matter and antimatter should have been produced

cosmology. From detailed analyses of the expansion of ourobserved today. Physicists suspect that differences inのが最新の Planck 衛星による宇宙マイクロ波背景輻射観測の理研究においても、理論・実験によるこの「暗黒」の解明に向けo b s e r v a t i o n , w e h a v e e n t e re d a n e r a o f p re c i s i o nuniverse and the formation of its large-scale structures,

our universe appears to be largely dark. The latest resultsfrom the Planck satellite imply that only 4% of the universe

is made out of matter such as atoms, with the remaining

components of cosmic structures comprising mysterious
substances: 68% dark energy, which is accelerating the

expansion of the universe, and 27% dark matter, which

induces the formation of cosmic structures. Today, many

scientists around the world are working to shed light on
this dark side of the universe.

現在見つかっているCP 対称性の破れの大きさのみでは、観測さ論のよいプローブであり、理論・実験とも世界的に熾烈な競争がin equal amounts in the early universe, antimatter is rarely
the properties of particles and antiparticles, such as
their reactions or decay rates, led to more particles

than antiparticles surviving pair annihilations in the early
universe. This asymmetry, known as CP violation,

has been observed, but current measurements cannot

explain the number of baryons seen in the cosmologicalobservations of today s universe. There is fierce global

competition in the search for large CP violations, thediscovery of which would likely reveal new physics beyond
our current understanding.

Approaches: Theoretical studies, ATLAS, Belle II, CTA, FERMI, FORCE,

Approaches: Theoretical studies, ATLAS, Belle II, Hyper-Kamiokande,

Hyper-Kamiokande, MWA, NEWSdm, Super-Kamiokande, XENONnT, XRISMNOP, Super-Kamiokande, XENONnTSpacetime
時空の構造

量子力学の不確定性関係によれば「短距離」は「高エネルギー」を意味
し、一般相対性理論によれば「 高エネルギー」は「 時空の曲率 」を生み出す。しかし両者を結びつける無矛盾な理論は知られていない。時空の曲率の量子力学的なゆらぎを適切に記述する理論（量子重力理論）が必要とされている。超弦理論はその最有力候補である。超弦理論では、量子重力を記述するのに加え、余剰次元、超対称性、そして、ゲージ相互作用を予言する。しかし、超弦理論が、現在の素粒子標準理論やインフレーション宇宙論、標準宇宙論をどのように内包するか、まだわかっていない。このためには、超弦理論を非摂動的に理解することが必要であり、「ブレーン」とよばれる超弦理論のソリトン解の研究が役立つことが期待されている。

The uncertainty principle in quantum mechanics tells us that shortdistances correspond to high energy. From general relativity, weknow that the curvature of spacetime is related to energy. Thereis a need for a theoretical framework that consistently describes
quantum mechanical ﬂuctuations in the curvature of spacetime(quantum gravity). Superstring theory is the leading candidate

for the formulation of quantum gravity, that furthermore predicts
the existence of extra dimensions, supersymmetry, and gaugeinteractions among particles. However, it remains a matter ofserious debate whether and how the superstring theory can be

reduced to the standard model of the particle physics, inﬂation

theory, and standard cosmology. This is partly due to our lack ofunderstanding about the nonperturbative aspects of the theory.
Solitonic objects called branes may provide clues toward a

Approaches: Theoretical studies, ATLAS, Belle II, FERMI, NOP, XRISM

nonperturbative understanding of superstring theory.

Exploring Black Holes ／ブラックホール研究事情

Text by
Kazuhiro Nakazawa
Tetsuya Shiromizu
Yasusada Nambu

FEATUREBlack Holes in Astrophysics

Black Holes in the Laboratory

天体としてのブラックホール

実験室のブラックホール

ブラックホールは光すら逃がさない暗黒の天体だ。しかし、その強力な重力場でブラックホールはその強重力のため光ですら閉じ込めてしまう事象の地平面を引き寄せられ光の速さ近くにまで加速された星間物質が生む摩擦熱のため、ブ持つが、そこからは量子効果により熱的輻射が放出されることが理論的に予言

ラックホールは電波や可視光、X 線やガンマ線などあらゆる波長で輝き、ジェットされている（ホーキング輻射）。実験室でブラックホール地平面の性質を模倣すまで噴き出す、莫大なエネルギーの源となっている。天文学者はこれを観測し、る音速面を持つ量子流体の流れを作り、音速面近傍からのフォノン励起を検ブラックホールに物質が落ちる物理、その成長の歴史、そしてその巨大エネル

出することでホーキング輻射の実験的検証が試みられており、重力と量子力学

ギーが銀河、銀河団の進化に与える大きな影響を調べている。

の関係についてより深い理解が得られると期待されている。

Even light cannot escape from black holes. Their strong gravity causesBlack holes have an event horizon from which even light cannot escapeaccretion disk, and frictional forces are generated that produce vastholes are predicted to emit blackbody radiation (Hawking radiation). To

interstellar gas to accumulate and accelerate around them, forming anamounts of heat. Black holes are a major energy source in the universe,

emitting photons from radio waves to gamma rays, as well as jets andoutﬂows. For this reason, black holes have been an important target inastronomy for decades.

due to their strong gravity. However, considering quantum eﬀects, black

clarify this theoretical prediction, there are several ongoing experiments
for detecting phonon emissions from the sonic horizon of a transsonic

ﬂow in a quantum ﬂuid, which are an analogue to Hawking radiation.
Such efforts are expected to provide a deeper understanding of theconnection between gravity and quantum mechanics.

Black Holes in String Theory and Mathematics
数理で見るブラックホール
ブラックホールは数学的に厳密に定式化されている。ホーキングによって、太り続けること、その表面が球面であることが証明されている。究極の理論である
超弦理論においても高次元ブラックホールは重要な考察対象で、ブラックホー
ルの表面を詳しく調べることにより、高次元重力と物質の理論が等価であることが分かってきた。さらに、高次元時空において様々な形のブラックホールがあることが知られている。これらの数学的構造の理解を通じて、重力と宇宙の真の姿が明らかになるだろう。

The properties and behavior of black holes can be exactly formulated

mathematically. Professor Stephen Hawking showed that black holes
are constantly growing spheres. Meanwhile, string theory, a proposed

theory of everything, shows us the importance of black holes. Indeed,precise investigations of the surface of black holes have revealed theequivalence between higher-dimensional gravity and theories for matter.
Furthermore, black holes can have various shapes in higher dimensions.

Understanding their mathematical structures will clarify the true natureof gravity and the universe.

Image: the first picture of the shadow of a black hole (M87) captured by the Event Horizon TelescopeKMI Collaboration Projects ／参加プロジェクト 一覧
As of February, 2020

2000

2005

2010

2015

2020

● Higgs boson（ 2012 ）

2025

LHC

2030

HL-LHC→ Luminosity 4000fb -1

ATLAS

Belle II

→ Luminosity 50ab -1● CP violation（ 2002 ）Belle

Belle ll
2019

Pre-production

CTA

Full array operation

2022

Partial operation

Fermi

Extended Fermi
2013

2008

2031

FORCE

LHCf/RHICf

2028（ Proposed ）

LHCf
2012

2004

2013

2016

2017

p-O runPhase 2Phase 3

RHICf
Phase 1

MWA

2013

Tohoku Earthquake（ 2011 ）●

2016

2019

Beam power 1MW

NOP
2008

● Hadron hall accident

2012

Small scale run

Physics run

NEWSdmSuper-Kamiokande/
Hyper-Kamiokande

Super-Kamiokande● Solar neutrino oscillations（ 2001 ）● The 3rd

SK-Gd
Hyper-Kamiokande

neutrino oscillations（ 2011 ）
2027

XMASS

XMASS/XENON

2007 2008

XENON 10XENON 100

2016

2018

XENON 1 T

2019

XENON nT

XRISM
2022

Extension?

ATLAS experiment
ATLAS実験

ATLAS 実験は、欧州 CERN 研究所にある世界最高エネル

The ATLAS experiment aims to discover new physics beyond the

ギーの陽 子 陽 子 衝 突 型 加 速 器 L H Cを用いて、未 知の素standard model of particle physics, using the world’s largest and粒子現象を探索しています。名古屋大学は、2012 年 7月のmost powerful energy frontier collider, the Large Hadron Collider

ヒッグス粒子発見を代表とする様々な物理解析、「ミューオン

at CERN (European Organization for Nuclear Research). The KMI

トリガー」のエレクトロニクスやソフトウェアの開発・建設・運Nagoya University team contributes to not only searching for new

転など、様々な側面で主導的な役割を担っています。

physics, but also developing, constructing, and operating theelectronics and software of the “muon trigger system”.

Belle II experiment
Belle II 実験

KEK

Belle II 実験は、高エネルギー加速器研究機構のSuperKEKB

The Belle II experiment aims to discover new phenomena and加速器で生成される膨大な素粒子反応から未知の現象・粒

particles derived from huge numbers of collision of electrons and子を探索する国際共同プロジェクトです。名古屋大グループ

positrons. The KMI Nagoya University group is leading the project,

は、新型粒子検出器「 TOPカウンター」の独自開発と建設・

including constructing a new particle identification detector called

運転、膨大なデータを処理するための「分散コンピューティ“TOP counter”, operating distributed computing facilities, andング」の開発・運用、新現象発見に向けたデータ解析など、

performing data analysis for discovering new phenomena.

プロジェクトにおける主導的な役割を担っています。

Cherenkov Telescope Array（ CTA ）チェレンコフ望遠鏡アレイ（CTA ）

CTAO/M-A. Besel/IAC (G.P. Diaz)/ESO

宇宙の高エネルギー天体が発する光（電磁波）のうち、最もCelestial gamma rays are the highest-energy photons emitted byエネルギーの高いものがガンマ線です。チェレンコフ望遠鏡

high-energy objects. The CTA project will detect gamma rays with

アレイでは20 GeV 〜 300 TeV のエネルギーのガンマ線を、

energies of 20 GeV - 300 TeV using approximately 100 telescopes.

地上に並べた約 100 台の望遠鏡で検出し、超新星残骸やIt will observe high-energy objects such as supernova remnants

ブラックホールなどの高エネルギー天体の観測、また謎多きand black holes, and indirectly search for dark matter.

暗黒物質の間接探査を行う計画です。

Fermi gamma-ray space telescopeFermi 衛星NASA

Fermi 衛星は、アメリカが欧州と協力して開発し、2008 年にFermi is a GeV gamma-ray space telescope launched in 2008 by

打ち上げられたGeVガンマ線観測衛星で、日本も検出器開the United States in collaboration with Europe and Japan. It is

発に参加しています。宇宙における粒子加速そのものや、

one of the deepest probes for observing particle acceleration and

宇宙線が分子雲と相互作用する様子を探査する優れた能cosmic ray–matter interactions in the universe. It also hosts a

力をもっています。またX 線からMeVガンマ線帯域でガンマ

gamma-ray burst monitor.

線バーストを検出する機能も合わせもちます。

FORCE satellite
FORCE衛星

FORCE 衛星は、日本を中心にアメリカと連携して計画してFORCE is a future X-ray observatory planned to cover a wide

いる次世代の衛星で、1-80 keVまでの広い帯域を、特にenergy band of 1–80 keV, with a proposed launch in the late 2020s.

10 keV 以上ではこれまでより1 桁高い感度で観測する衛星

Its high sensitivity in the 10–80 keV band means that it will unveil

で、2020 年代末の打ち上げを目指しています。強い吸収を

deeply obscured targets, such as rapidly growing black holes.

受けた天体や熱的放射に隠された高エネルギー現象などを探査する能力に優れ、急成長する巨大ブラックホールの観測などに威力を発揮します。

LHCf / RHICf experiments
LHCf/RHICf

LHCf 実験では、CERNの加速器 LHCで超前方粒子を測定

The LHCf experiment measured very forward particle productions

し超高エネルギー宇宙線が起こす相互作用を研究していま

using dedicated compact detectors installed in the LHC to study

す。KMIは中核機関として実験を立ち上げました。2017 年

hadronic interactions of very high-energy cosmic rays. KMI is aには理研と協力し米国ブルックヘブン国立研究所の RHIC

host institute of the experiment. In 2017, a similar experiment,

加 速 器にも同 検出器を設 置した R H I C f 実 験を行っていま

RHICf, was performed at the RHIC in collaboration with RIKEN. In

す。2021 年には再び LHCでの測定を控え、陽子─酸素原2021, new measurement with the LHC is projected, and a future

子核衝突での測定も計画中です。

proton–oxygen run is planned as well.

Murchison Widefield Array（ MWA ）マーチソン広視野電波干渉計（MWA ）MWA Coll. & Curtin Univ.

M W A は 西 オーストラリア のマーチソン 電 波 観 測 所 のThe MWA is a low-frequency radio telescope in Western Australia

80MHz-300MHzという低周波帯域で観測する電波望遠

that aims to be the first to detect a signal from the Epoch of

鏡です。名古屋大学・熊本大学を中心とした研究グループ

Reionization. It consists of thousands of spider-like antennas

では、この水素ガスの分布とLAEと呼ばれる銀河との相互

arranged in regular grids called “tiles” spread over several

相関をとることにより、世界で最初の宇宙再電離期からのシ

kilometers within the Murchison Radio-Astronomy Observatory.

グナルの検出を目指しています。

Nuclear Emulsion WIMP Search – directional measurement（ NEWSdm ）原子核乾板を用いた方向感度を持つ暗黒物質探索実験（NEWSdm ）NEWSdmプロジェクトは、独自開発した超高分解能原子核

The NEWSdm project searches for directional dark matter using

乾板（Nano Imaging Tracker: NIT）によるナノスケールの飛跡

a very high-resolution nuclear emulsion (Nano Imaging Tracker)として暗黒物質の信号を検出することを目指した方向感

that was originally developed at Nagoya University. The project度を持つ暗黒物質探索実験であり、暗黒物質の直接的な

aims to directly understand the properties of dark matter by

性質解明を目指したプロジェクトです。現在、日本（名古detecting nano-scale track information. This project is an ongoing

屋大学、東邦大学 他）、イタリア、ロシア等による国際共international collaboration between Japan (Nagoya University and

同実験として研究開発を進めています。

Toho University), Italy, Russia, etc.

Neutron Optics and Physics（ NOP ）中性子光学基礎物理実験

低 速 中 性 子を用いて様々な素 粒 子 原 子 核 実 験を行いまThis project uses slow neutrons to investigate various topics in

す。中性子崩壊を通じた標準模型の検証、電気双極子能

physics, for example, precision measurement of beta decay and

率や核反応に現れる対称性の破れの探索、余剰次元・ダー

nuclear reactions, and the search for the electric dipole moment,

クエネルギーの探索など多岐に渡ります。世界最強輝度のextra dimensions, and dark energy. Experiments are performed

パルス中性子源 J-PARC や、国内外の加速器・研究用原

worldwide, including the world’s most intense pulsed neutron

子炉を利用しています。

source at J-PARC (Japan Proton Accelerator Research Complex).

Super-Kamiokande / Hyper-Kamiokande

スーパーカミオカンデ/ハイパーカミオカンデ

Kamioka Observatory, ICRR

神岡地下 1000mの5 万トン水チェレンコフ検出器スーパーカ

Super-Kamiokande (SK), a 50,000ton water Cherenkov detector locatedミオカンデで、ニュートリノ研究と陽子崩壊の探索を行って1000 m underground in Kamioka, Japan, studies neutrinos and searches

います。2020 年からは、ガドリニウムを水に添加し過去の超for proton decay. From 2020, the SK-Gd project with the Gadolinium-

新星ニュートリノ観測に挑むSK-Gd 計画や、スーパーカミオ

loaded water begins to observe neutrinos from supernova bursts.

カンデの 8 倍の有効体積のハイパーカミオカンデの建設がConstruction of Hyper-Kamiokande, which has 8 times larger fiducial

始まります。KMIは大気ニュートリノ振動の精密研究や暗黒mass than SK also starts in 2020. KMI has conducted precise neutrino

物質からのニュートリノ探索を行っています。

oscillation studies and is searching for neutrinos from dark matter.

XENONnT experiment
XENONnT実験

Roberto Corrieri and Patrick De PerioXENONnT 実験は、世界最大約 8トンの液体キセノンを用い

XENONnT is a dark matter direct detection experiment that uses

た暗黒物質探索実験で、2020 年の観測開始に向けて現approximately 8 tons of liquid xenon as a target medium. The KMI

在建設が進められています。名古屋大学の研究チームは、

Nagoya University group is contributing to the development of a

暗黒物質発見の鍵を握る中性子除去検出器の開発やデー

neutron veto detector, data analysis, and Monte Carlo simulation.

タ解析に貢献を行うとともに、将来の暗黒物質探索に向け

We are also developing new photodetectors and time projection

た新しい光センサーや検出器の開発なども行っています。

chambers for future experiments.

XRISM satellite
XRISM衛星

ISAS/JAXAXRISM 衛星は、JAXAが NASAと連携し、国内外の大学研

XRISM is a near-future X-ray observatory led by JAXA (Japan

究機関と参加している宇宙 X 線観測衛星で、2022 年ごろ打Aerospace Exploration Agency), NASA (National Aeronautics and

ち上げ予定です。過去の衛星より桁違いに優れたX 線分光Space Administration), and other institutions located in Japan andができ、原子からの輝線を高精度で捉えて、宇宙プラズマ

around the world. Its energy resolution is an order of magnitudeの詳細な電離状態や、ドップラー効果を用いた速度測定に

better than that of existing observatories, and is therefore expected

桁違いの精度をもたらし、宇宙物理に革新をもたらします。

to unveil a new field of atomic and velocity-field structures of highenergy objects in the universe.

History of the Universe
宇宙の歴史

1018GeV

1015GeV

1012GeV109GeV

106GeV

1TeV

1GeV

1MeV

1keV

1eV

1meV

EnergyTemperatureThe
beginningoftheUniverse

1030K

1025K

1020K

1015K

1010K

105K

1K

10

10

10

10

10

10

1

-30

-25

-20

-15

-10

-5

（ z +1）-1
10-42sec

10-36sec

10-30sec

10-24sec

10-18sec

10-12sec

10-6sec

1sec

106sec1012sec

1018sec

Age of the Universe
1

z=103

z=102

103

z=10

106 109 Years

z=1

z=0

Age of the Universe
Redshift Parametera0z = a -1
a: scale factor
a0 = a（t0）

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

105

106

107

108

109

1010 Years

NOW