﹁物質﹂とは何か？

素粒子
原子核

これは，岐阜県神岡町の地下1,000mにある「スーパーカミオカンデ」という研究装置です。
直径 40m，深さ 40mの巨大な水槽の内部に 11,200本の光検出器（写真の中の点々ひとつひとつが光検出器です）を備え，ニュートリノと呼ばれる目に見えない素粒子の検出を行っています。

謎の素粒子「ニュートリノ」
超新星爆発や太陽からは「ニュートリノ」と呼ばれる素粒子が放出されます。
このニュートリノを観測することで，光では観測不可能な星の中心部を直接研究することが可能になり，ビッグバン直後の超高温の宇宙の様子をはじめ，様々な謎を解明できるかもしれないのです。

スーパーカミオカンデ

ニュートリノ振動

ニュートリノは電荷を持たない，非ニュートリノ振動が起こると，発種類のニュートリノが混合した状態常に軽い素粒子です。その質量は長い生時と異なっる成分比でニュートリでニュートリノは発生し，観測され間測定できないでいましたが，1998年ノが観測にかかるため，ある種のニます。その場合，発生した時に同じ東京大学宇宙線研究所を中心としたスュートリノは減少し，別の種類のニ地点にいた各種ニュートリノ成分は，ーパーカミオュートリノは増加する現象が起こり飛行中に分離されてしまいます（下カンデ実験にます。

図）。

より初めて質スーパーカミカオカンデではミュ量が測定されーオン型ニュートリノが地球の反対ました。

側から来る場合（右図：−１の点），スーパーカミ

写真提供：東大宇宙線研究所

日本の上空からくる場合（右図：＋オカンデ検出器は約5万トンの純水を１の点）よりも減少していることを使い，ニュートリノが水と反応する現観測しました。

象を観測します。ニュートリノ反応はこれはニュートリノ振動が起こっリング状の光として観測される（上図）ている場合の予想（右図：緑線）とため，スーパーカミオカンデ検出器は非常に良く一致します。また2001年

水槽内に50cm径の光検出器11,200本にはスーパカミオカンデとカナダのを設置しています。

SNO実験の観測から太陽から来るニニュートリノの正体

Multi-GeV μ-Like + PCュートリノもニュートリノ振動で減少していることが判明しました。

-1-0.5

資料提供：東大宇宙線研究所

00.5

1

θ

ニュートリノは宇宙線によって大気中で生成されます（上図）。ニュート

ニュートリノ振動：ニュートリノ

リノは地球を通り抜けることができるは3種類存在し，それぞれ異なる質量ので世界中の空で発生したニュートリを持つと考えられています。その数ノがスーパーカミオカンデで観測できます（下図）。
この観測を通しスーパカミオカンデはニュートリノに質量がある場合の特有な現象であるニュートリノ振動の観測に世界で初めて成功しました。

資料提供：高エネルギー加速器研究機構

日本横断の実験
ニュートリノ振動をより詳細に研ミオカンデで検出されます。ニュー究するため，人工的に加速器でニュトリノ研究は宇宙の解明，素粒子物ートリノを発生させる長基線ニュー理学者が目指している全ての力の統トリノ振動実験が現在進行中です。

一理論の進展等に大きな貢献をする

ニュートリノはつくばで生成され日ことが期待されています。

本を横断し，250km離れたスーパカ

ニュートリノは地球を通り抜けることができます。

資料提供：高エネルギー加速器研究機構

資料提供：高エネルギー加速器研究機構

12物
理

粒子・反粒子の謎
物質を細分化していって最後にたどり着く究極の粒子，それが素粒子です。
宇宙の創世記「ビッグバン」では，この素粒子とともに「反粒子」というものも同じ数だけ生まれたといわれています。
では，「反粒子」はどこにいってしまったのでしょうか？

粒子・反粒子

物理

小林・益川理論

我々の世界は，主に陽子・中性子・小林・益川理論によると，ボトムク電子で構成されています。現在の素粒ォークから構成されるB中間子では粒子物理学で，物質を構成する素粒子子・反粒子の大きな差異が観測される（クォークとレプトン）には下図に挙と予想されています。このためB中間げる12種類の粒子と電荷が反対の反粒子を大量に生成できる加速器，B-ファ子があることが判っています。宇宙創クトリー（全景：右上図，本体：右下

生期，ビッグバンにおいては粒子反粒図）がつくばの高エネルギー加速器研子は同数作られたと考えられていま究機構で建設され，多数の大学の研究す。ではその反粒子は反物質を作るこ者が粒子・反粒子の研究に取り組んでとなく何故消えてしまったのでしょう

います。

か？その鍵は，日本人物理学者小林・益川氏が提案した理論により第3世代のボトムクォークが担っていると考えられています。

素粒子反応を検出する
大量に生成されるB中間子を観測するための素粒子反応検出器，Belle（下写真）が建設されました。この検出器

クォークレプトンの精度で測定します。Belle検出器では

第3ボトム

トップ

はB中間子が崩壊した地点を数十μm

タウタウ
ニュートリノ

右図のようにB中間子の崩壊が観測されます。

第2ミューオン ミューオン
ニュートリノ

ストレンジ チャーム

第 1
ダウン

アップ

Belle検出器の正面図と観測された粒子の電子

電子
ニュートリノ-00

飛跡

世 代-1/3e2/3e

電荷

粒子だけが生き残るわけ
Belle実験では粒子と反粒子がある特殊な状態（CP固有状態）に崩壊する際の寿命の違いを測定します。つまり，粒子と反粒子はどちらが長生きかを調べているわけです。B-ファクトリーではB中間子と反B中間子が対で生成され，その寿命の差を測定します（左上ビッグバンのイメージ図）。2001年夏，ついにB中間子と反B中間子の間でCP固有状態に行く場合に大きな寿命差があることが判明しま

このページの写真・資料提供：高エネルギー加速器研究機構

13

した（左下図：青線CP=1，赤線CP=-1）。

原子核物理学
原子核とは文字通り原子の核をなす要素です。
原子核には，今まで知られていた「普通の」原子核の他にも，様々なタイプの存在が明らかになりつつあります。
物質の基本的な要素でさえ，まだまだ知られていないことがたくさんあるのです。

新しいタイプの原子核
原子核は物質の基本要素です。陽子のか，まだよくわからないことばかりと中性子が集まってできた原子核が，です。つまり，我々人間は物質の本質まわりに電子をまとって原子となり，をまだ理解していないのです。

物質を形作っています。現在，約千種原子核は，ほぼ同数の陽子と中性子類の原子核が知られていますが，陽子が球形に集まったものというのが従来や中性子がどういう力で結合してなぜの常識でしたが，最近では右図のようこのような原子核になるのか，初期宇な様々な新しいタイプの原子核の存在

宙では物質はどういう姿で，そこからが明らかになり，この常識は覆されま

どのようにして原子核が作られてきた

した。

物
理

構造を調べると，従来調べられなかった原子核の深部の様子や，陽子や中性子の間に働く力の詳しい性質を知ることができます。
ハイパー原子核の研究は，実験・理ハイパー原子核論の両面で日本の研究者が圧倒的に世

ここでは，陽子，中性子，ラムダ粒界をリードしています。最近，つくば子の三種類の粒子からなる「ハイパー市の高エネルギー加速器研究機構原子核」の研究を紹介します。上図の（KEK）では，世界で初めてハイパーように，加速器で人工的に作った「中原子核の発生する光（ガンマ線）の精間子」を原子核に当てると，中性子が密測定に成功しました。こうしてハイラムダ粒子に変化し，ハイパー原子核パー原子核の精密構造が次々と解明さが作られます。このハイパー原子核のれています。

拡がるハイパー原子核の世界
さらに，別のKEKの実験では，ラムダ粒子を2つ含む二重ラムダハイパーのように第三の軸を加えて3次元的に表されることになりました。

原子核の決定的な証拠が写真乾板の中

ハイパー原子核は単なる人工的な物に捉えられました（下図左）。こうし質ではなく，中性子星の内部に存在すて，これまで陽子の個数と中性子の個るとされています。こうして我々の物数で区別されていた原子核は，下図右

質観も拡張されるのです。

ハイパー原子核のガンマ線の検出装置と実験で得られたスペクトル14素粒子と生命の融合
私たち人間の体も，行き着くところは素粒子の集まりです。
つまり，宇宙空間にある物質や身の回りのものと，ある意味「同じ」だといえます。
「物理」というと，一見，無機的なものを扱う学問と思われがちですが，「素粒子的な見方」をすればそのような垣根は存在しないといえます。

nxnm

神岡

295km

東海

スーパーカミオカンデ
検出器

物理

ニュートリノ質量からレプトン族の混合測定まで
電子ボルト以下の領域のミュオン

ミュオン科学
物質の磁性、表面界面物性、ミュオン触媒核融合、等

ミュオン（μ）

大強度陽子加速器施設
原子核標的（A）

大強度陽子加速器施設は，高エネル

π中間子
π→μ+ν

中性子（n）

K中間子

所が共同で建設を進めている多目的加速器施設です。平成18年度末の完成を予定しています。

反陽子
陽子（p）
3 GeV, 50 GeV

ク，30億電子ボルトシンクロトロン，50 GeV陽子ビームを原子核にあてて発生する中間子、反陽子、ニュートリノなどのいろいろな粒子ビームを利用する。

MeV領域の中性子

3 GeV-333μAの大強度陽子ビームによって発生する世界最強のパルス中性子源。

中性子科学

う世界最高強度を誇る陽子加速器群か強度陽子ビームという共通の道具を基

ハイパー核、核物質中のＱＣＤ、ニュートリノ振動、Ｋ中間子崩壊、等中性子（n）

500億電子ボルトシンクロトロンといこれらの加速器群から供給される大原子核・素粒子物理学

加速器駆動消滅処理建設される加速器は，陽子リニアッら成り立っています。

ニュートリノ（ν）GeV領域の粒子

陽子（p）

ギー加速器研究機構と日本原子力研究π中間子の崩壊によって発生するミュオンを効率よく集めて世界最強のパルス状ミュオンビームをつくる。

大強度陽子ビームによる多様な粒子ビー
ムの生成

高温超伝導発現機構、生命現象、高分子･液晶･超分子、新素材

meV-eV領域の中性子タンパク質の３次元構造の解明

新しい超伝導物質の構造解明・開発

粒子を発生させて，これを利用した広中性子散乱は，X線と比較すると水中性子は，ミクロな磁石としての性い範囲の科学分野の研究が行われます。

素などの軽い元素に高い感度を持って質も持ち，磁性体の構造の研究にも大その範囲は，ミクロの世界を探求すいます。この特徴を生かして，複雑ないに役立っています。例えば，新しくる原子核・素粒子物理学から，より身３次元構造をもつタンパク質の全体像開発された超伝導材料の性質を理解

近な物質の基本的性質や生命の機構ををとらえることができます。

し，実用化に向けた開発を進める上でに，中性子，ミュオン，Ｋ中間子，反陽子，ニュートリノなどの様々な二次探る物質・生命科学，あるいは人類の最近では，このようなタンパク質の未来のための新しい技術開発など，形が，生体内での働きと深い関わりを様々な分野をカバーしています。むし持つことが知られてきています。

ろ，従来の学問領域にとらわれない21も重要な役割を果たしています。

水分子

世紀の新しい科学・技術分野の創成へとつながることが期待されています。

X線で見たタンパク質の構造(C, N, O, S原子からな
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る骨組み構成）

中性子で見たタン
パク質の構造Ｘ線では見えない水分子がよく見える

超伝導の渦構造の観測（左）と超伝導技術を応用して動くリニアモーターカー（右）超伝導の新しい潮流
ある温度以下で電気抵抗がゼロになる状態を示す物質のことを「超伝導体」といいます。最初に発C）の水銀でした。
見された超伝導体は，4.15ケルビン（-269°
その後，より高い温度で超伝導となる物質が世界中の研究機関で探し求められています。

酸素の超伝導

現代社会の営みは，通信・輸送・家

酸素は空気中に窒素についで多く含

庭生活の全般にわたって電気を利用しまれ，身近な元素です。酸素に100万た機器に強く依存しています。物質に気圧もの超高圧をかけて冷やしていく

電気を流すと電気抵抗が生じるため，と，絶対温度で0.6ケルビン以下では電気エネルギーの多くは熱として消費超伝導になることが発見されました。

されています。ところがある種の金属

この他，超高圧力のもとでは，鉄も強のなかには，冷やしていくと電気抵抗

磁性を失ったあと，超伝導になることが突然，完全に消失するものがありまがわかりました。

1.0

電気抵抗(R/R 1K)

超伝導とは

物
理

98 万気圧120 万気圧0.5125 万気圧す。これを「超伝導体」といいます。
0超伝導状態では，電気を運ぶ電子は2個ずつ対を作り，それらの電子対がボ

最近､これまでになかった新しい物
質や新しい性質の超伝導体が次々と見

1超高圧のもとでの酸素の電気抵抗ース・アインシュタイン凝縮（18ページ参照）を起こしています。

0.5温度（ケルビン）

120 万気圧における固体になった酸素。
電気抵抗測定のための電線が取り付けられている。

つかりました。特に日本の大学での研究から多くの発見が生まれています。
c

2ホウ化マグネシウムの高温超伝導aa

マグネシウムとホウ素が1対2の割合は超伝導体であったことを日本の大学Mgで結合した２ホウ化マグネシウムが､4年生が卒業研究の実験中に発見したB

金属化合物としては従来の転移温度のものです。この物質は値段も安く､薄記録を一気に16ケルビンも塗り替える

く広げたり線状に伸ばしたりする加工

39ケルビンで超伝導になることがわか面でも優れた性質をもっており，実用りました。この物質は研究用の試薬と的な超伝導材料として，その将来が大して市販されていましたが，それが実いに期待されています。

2ホウ化マグネシウムの結晶構造

超伝導体の中では，電気を運ぶ電子ムの酸化物超伝導体がその例です。こ運動していることがわかりました。一は2個ずつ対をつくっています。電子の超伝導体では電子の対（白い球で表方向に公転運動していることを上向きには右向き・左向きの自転に相当する現）は小さい矢印で表されたように同の大きな矢印で表現しています。

ような2種類のスピンという状態があじ向きのスピンをもち，お互いに公転スピン・トリプレット超伝導りますが，従来の超伝導体ではすべて，互いに逆向きのスピンの電子が対を作っています。ところが最近，同じ向きのスピンの電子対による画期的な超伝導体も見つかりました。これが｢スピン・トリプレット超伝導体｣と呼ばれるもので，ストロンチウムとルテニウ

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