宇宙は何からできているのか？
全学教育科目「学問の面白さを知る」第３回
2023年4月28日
宇宙地球環境研究所・素粒子宇宙起源研究所・高等研究院
伊藤好孝

1

私の研究分野

銀河宇宙線

宇宙地球環境研究所(ISEE)

超新星残骸

太陽宇宙線

¾は陽子
¼はヘリウム

素粒子宇宙起源研究所(KMI)

http://www.ies.or.jp/ri̲online/history/history002.html

https://www.nces.i.nagoya2
u.ac.jp/NEP/about/maps.html

宇宙線：素粒子と宇宙の両分野にまたがる学問
１億分の１センチ

約10万光年= 約１０００億センチの１兆倍

電子

原子核
１兆分の１センチ

まったく違うサイズ！しかし…

最も小さい世界は最も大きい世界につながっている3自己紹介: スーパーカミオカンデを作っていた頃（１９９５年）

私（伊藤）：１９９５­２００４年
東大宇宙線研神岡宇宙素粒子研究施設に在籍
梶田さんとスーパーカミオカンデ建設後、一緒に大気ニュートリノ振動の発見に立ち会う
その後、加速器長基線ニュートリノ振動実験、２００４年から名大へ

地球のすぐ外側
大気圏• 地球を覆う大気は高さ数百キロメー
トル上空まで続いている。
• １気圧は1平方cmあたり約１キログ
ラムの重さに相当。地上は１０メート
ルの水の底にいるのと同じ。
• 宇宙線は大気中で反応し、数を増やしながら落ちてくる
http://www.geocities.co.jp/Hollywood-Miyuki/1175/hight.html
地面5

宇宙線の発見• 1911年、Hessは気球に乗って4000mまで上昇し、上に行くほど放射線が強くなることを発見した• 1936年にノーベル賞を受賞• 放射線は物質を電離（イオン化）する。

箔検電器

http://www.makasaka.net/physics/kendenki/hakuken.html
620世紀〜放射能の発見• 放射能
マリー・キュリー

ラザフォード• ある種の原子核から「素粒子」が飛び出し別の原子核に変わってしまう現象（能力）• 放射線• その時飛び出してくる「素粒子」•••

アルファ崩壊ではベータ崩壊ではガンマ崩壊では

http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1911/marie-curie.html

ヘリウム原子核
電子
ガンマ線（光の一種）

https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%A2%E3%83%BC%E3%83%8D%E3%82%B9%E3%83%88%E3%83%BB%E3%83%A9%E3%82%B6%E3%83%95%E3%82%A9%E3
7%83%BC%E3%83%89

環境放射線
１人あたりの年間線量（世界平均）

１シーベルト （1 Sv)
被爆量の単位。
放射線で１ｋｇあたり１Jのエネルギーの被爆を受けること。

8https://www.ene100.jp/zumen/6-2-2

大気が宇宙線を吸収する

40kmの大気（=10mの水）9

https://www2.kek.jp/ja/newskek/2003/sepoct/photo/sparkchamber1.gif

地球を取り巻く放射線と磁場

日本惑星協会10地磁気が宇宙線を弾き飛ばす

http://swc.nict.go.jp/knowledge/magnetosphere.html

11

太陽系

太陽と地球との距離 ＝ １億５千万キロ （１天文単位）

WP - Planets2008.jpg, CC 表示-継承 3.0,
https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=45708230による

12太陽圏＝太陽系を覆う磁場の繭
外宇宙

衝撃波
100天文単位

太陽圏
Image Credit: NASA/Walt Feimer

13

太陽が生まれた星間ガス(超新星爆発の跡）

Illustra(on Credit & Copyright: Linda Huﬀ (American Scien1st), Priscilla Frisch (U. Chicago)14銀河系の構造220km/s=8kpc~30kpc~50kpchttp://rikanet2.jst.go.jp/contents/cp0320/images/F07002.jpg

15わたしたちを作っているもの

16クイズ：人体を作っている元素ベスト10は？

17

我々を作っている元素

愛知県衛生研究所HPをもとにグラフ作成
https://www.pref.aichi.jp/eiseiken/4f/seitai-element.html

18

地球を作っている元素

西村雅吉著『環境化学(改訂版)』1998(裳華房)をもとにグラフ作成
19

元素周期律表

20

https://www.u-kochi.ac.jp/~isshiki/isshiki/gadget/periodic.html

物質をばらばらにしていくと
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/43/Toi_250kg_gold_bar.jpg

10 -10 m
金の原子

金の原子核
拡大すると
陽子と中性子p p 10 -14 m
n np
p n np-15 m
10np

金原子
最小の単位＝素粒子

21クオークq

電子 e-18 m以下
10-

クォーク

レプトン

物質を作る素粒子と感じる４種類の力
弱い

重力

第３世代
ボトム

タウ

トップ

タウ
ニュートリノ

弱い力
β-崩壊

第２世代
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

電磁気力

第１世代
ダウン アップ

𝟏𝟐− 𝒆 + 𝒆𝟑𝟑電子

電荷−𝒆電子
ニュートリノ

𝟎

森羅万象

強い力

強い原子核力22

原子

中性子とニュートリノ

１億分の１センチ
電子

陽子
中性子

原子核の中身ベータ崩壊
１兆分の１センチ中性子
l 陽子の相棒
l 電荷を持っていない
l 電荷以外陽子とほぼ同じ
l 寿命をもつ23l 約15分で陽子、電子、ニュートリノに崩壊＝＋ ＋
中性子 陽子 電子（反）ニュートリノ

ニュートリノ電子の相棒
l 電荷を持っていない
l ずっと軽いl なかなか衝突しない

なぜか３種類あるニュートリノはなかなかぶつからない・・・・・・・・・・・・・
地球を５０億個並べる（７光年の⻑さ）

ニュートリノ
ニュートリノは、この間にやっと１回反応する程度
©NASA

地球
しかし、たくさんニュートリノがあれば、⼩さな物体でもどれかは希に反応する。

24

陽子の構造（クォーク模型）• 陽子（バリオン：重粒子）は３つの電荷芯（３個のクォーク）• 陽子はuud, 中性子はuddの組み合わせ（u:アップ、d:ダウン）• パイ中間子（メソン：中間子）は２つ（クォークと反クォーク）• クォークは色電荷（赤、青、緑）を持ち、運動量の1/3を担う• 白色だけがエネルギーが低くなる（クォーク閉じ込め）
Valence quark• 色電荷を運ぶ粒子：グルーオン（糊粒子）
ugqqqqqg

Meson（パイ中間子など）

uggluondusg

Baryon（陽子、中性子など）

usSea quark

超高エネルギーでは、陽子の中にはクォーク・反クォーク対が充満
25

素粒子の“重さ”

電子n水素原子nアボガドロ数（6x1023）個集まると1gになる
n大部分は陽子の重さ陽子

n電子の重さn陽子の2000分の１
n比電荷の測定と電荷素量の測定

水素原子

nニュートリノは電子の50万分の１よりさらに軽い
n軽すぎて測定不能だった。

n 素粒子の世界では重さの単位は eV/c2nエネルギーを光速度の２乗で割ると重さの次元になる(E = mc2 )26

元素と同位体
電子

重水（軽）水電子

陽子

陽子 中性子水素原子(H)

重水素原子 (D)

D2O

H2O

@Nobel Museum27

元素と同位体
原子番号１
質量数１電子

原子番号１
質量数２電子原子番号２
質量数３電子原子番号２
質量数４電子陽子

陽子 中性子陽子 中性子陽子 中性子水素原子(H)

重水素原子 (D)

ヘリウム３原子(3He)

ヘリウム4原子
(4He)

水素同位体

ヘリウム同位体28

宇宙の元素組成

Particle Data Group（pdg.lbl.gov）の図を改変

宇宙線の組成太陽系の組成l太陽系と宇宙線の元
素組成はよく似ている。
l宇宙のどこでも元素
組成はほぼ同じとわかる
l宇宙の大部分は水素とヘリウム核融合ではリチウム、ホウ素、ベリリウムは作られない29

太陽のエネルギー源：水素の核融合
John Bahcal
ジョン・バコール

NASA/SDO

水素

水素＋
水素

核融合

光エネルギー
ヘリウム電子ニ

水素

ュート
リノ陽電子

太陽からのニュートリノ：核融合の証拠~660億 個/秒/cm2

太陽核融合でのニュートリノ生成モデルを計算John N. Bahcall. (2023, April 12).
In Wikipedia.
hJps://en.wikipedia.org/wiki/John_N._Bahcall
30世界初の太陽ニュートリノ観測(１９７０〜）
デービスらによる Homestake実験
６１５トンの四塩化炭素を入れたタンクの中で、ニュートリノと塩素の反応により生まれるアルゴン原子の数を 数えた。
37Cl+ n → 37Ar+e-

デービス博士は小柴さんと2002年ノーベル賞同時受賞

生まれたアルゴン原子の数は、２日に１個。
予想値の約１/３。
31

Neutrino Astrophysics
J.N.Bahcall

ニュートリノ振動の最初のヒント

カミオカンデ実験（１９８３ー１９９６年）
岐阜県神岡町神岡鉱山
地下１０００メートルの場所に３０００トン水タンクを建設
１０００本の20インチ光電子増倍管

http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/sk/news/2017/02/SN1987Aen.html32星の質量と運命

http://rikanet2.jst.go.jp/contents/cp0320/images/F05010001.jpg

33

星の核融合での重い元素の合成
４ 個の水素 から ヘリウム
(4p → 4He+2e++2ne )太陽と同程度の温度、密度（107K、150g/cm3）

3個のヘリウム から 炭素(3 4He → 12C)

より高い温度、密度（108K、104g/cm3）

質量欠損（束縛エネルギー）

炭素から酸素、ネオン、ナトリウム、マグネシム…
(12C +a→16O, 12C+12C → 20Ne, 23Na, 24Mg…)

Very high temp/dens

鉄が最も安定核融合

酸素からシリコン、最後に鉄
16O+16O → Si, Mg, S, Ar, Ca…
Si + Si → Cr, Fe, Ni…..

核分裂

Iron
質量数34

超新星爆発直前の星の玉ねぎ構造
表層から芯へ水素(H)ヘリウム(He)
炭素（C）
ネオン(Ne)酸素(O)シリコンSi鉄(Fe)Supernova. (2023, April 22). In Wikipedia.
hJps://en.wikipedia.org/wiki/Supernova

鉄の芯が表層の重さを支えきれなくなると、電子が原子核中の陽子に捕獲されて中性子になって原子が潰れ、超新星爆発が始ま35

重力崩壊型超新星の爆発過程
n nn nn nnn n𝑝 + 𝑒 ! → 𝑛 + 𝜈"𝛾 + 𝛾 → 𝜈# + 𝜈#中性子星1) 鉄のコアの中性子化（陽子の電子捕獲反応）

２) ニュートリノ閉じ込め

n n面波３) コアバウンス

撃nnnnn nn

衝

撃衝波

合成元素面nn
中性子星nn４) 爆発

n36

超新星1987a

超新星SN1987A

Credit: ESO ( https://www.eso.org/public/italy/images/eso0708a )Credit: David Malin / Australian
Astronomical Observatory.
(https://angelrls.wordpress.com/tag/lmc)
37

カミオカンデが捉えた超新星のデータ
超新星爆発の瞬間ニュートリノのエネルギー
Visible energy (MeV)

１３秒間に１１個のニュートリノを捕らえ
n e + p à e+ + n
た。

バックグラウンドレベル

その瞬間に通り抜けて行ったニュートリノの数
は、 １０００億個/cm238

小柴昌俊 ２００２年ノーベル物理学賞
天体物理学、特に宇宙ニュートリノの検出に対するパイオニア的貢献

Masatoshi Koshiba. (2023, February 11). In Wikipedia.
https://en.wikipedia.org/wiki/Masatoshi_Koshiba

ノーベル・ディプロマ（副賞の盾）

39
nobelprize.org

鉄より重い元素はどこで生まれたか？
（重力崩壊型）超新星

中性子が大量に存在する環境で起こる（r過程）n

中性子星連星合体

中性子を捕獲

中性子過剰核重い元素

p pn npp n npn p pn np
p n npnnp p pn npp p npnpnn

ベータ崩壊

ガンマ線バーストからの重力波イベントGW170817が作った“キロノヴァ”の観測により初めて確認されたNASA/Goddard Space Flight Center40

太陽はかつての超新星爆発の残骸を集めてできた「我々は星くずの子」（カール・セーガン）

Illustration Credit & Copyright: Linda Huff (American Scientist), Priscilla Frisch (U. Chicago)41

宇宙創生のはじめの３分間

スティーブン・ワインバーグ著
ダイヤモンド社 (1977/10/1)

https://m.media42
amazon.com/images/I/41npJ525dJL._SX346_BO1,204,203,200_.jpg

ドップラー効果

近づく物の音の周波数は高くなり、波長は短くなる。
遠ざかる物の音の周波数は低くなり、波長は長くなる。
聞こえる周波数＝元の周波数×1
1 – V/C

聞こえる音の波長＝元の波長× (1- V/C)

V: 車の速度(近づく方が正)
C: 音速
波長＝C/周波数

上図:ドップラー効果. (2023, August 18). In Wikipedia.
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%89%E3%83%83%E3%83%97%E3%83%A9%E3%83%BC%E5%8A%B9%E6%9E%9C

43https://edwinhubble.com宇宙膨張の発見

l ハッブルは銀河のスペクトルを測定、ドップラー効果から後退速度を求めた
l 後退速度が、その銀河までの距離に比例していることを発見→ ハッブルールメートルの法則
エドウィン・ハッブル銀河の後退速度l 宇宙が膨張していると考えると自然に説明できる銀河までの距離
Hubble, E. (1929). A relation between distance and radial velocity among extra-galactic
nebulae. Proceedings of the National Academy of Sciences, 15(3), 168-173.
https://doi.org/10.1073/pnas.15.3.168

https://svgsilh.com/svg/304160-00bcd4.svg を改変

44

ビッグバンか、定常宇宙か？
フレッド・ホイルの定常宇宙論：宇宙は過去も未来も変化していない

https://edwinhubble.com

https://svgsilh.com/svg/304160-00bcd4.svg を改変

宇宙膨張の発見：膨張速度から逆算すると約１３０億年前に宇宙はある一点から発生したことになる。

ビッグバンのアイデア（しかし、ハッブル自身は定常宇宙論を信じていたようである）

45

宇宙の原始ヘリウムはビッグバンで合成された

ジョージ・ガモフ

宇宙のヘリウムは水素の次に多く、全元素の1/4（天文学辞典より転載 https://astro-dic.jp/gamow-george
https://en.wikipedia.org/wiki/File:George_Gamow.jpg• 星の核融合で水素からヘリウムは合成されるが、宇宙誕生以来の星でできたヘリウムでは全く足りない• ガモフは宇宙初期は宇宙全体が星の内部のように高温だったとし、宇宙全体で熱核融合が起こり元素が合成されたと考えた
天文学辞典（日本天文学会）

46ビッグバンと宇宙はじめの３分間暗黒物質が重力で集まり構造を作る(©JAXA 図版を改版して利用）

47ビッグバン直後＝高エネルギーの素粒子の世界
Illustration by Toru Iijima © KMI, Nagoya-U

ビッグバンから現在へ

宇宙の始まりのなぞ••

暗黒物質・ニュートリノ
消えた反物質のなぞ48

ビッグバンの証拠：宇宙背景放射• ビッグバン後37万年後、宇宙の温度が下がると電子が陽子につかまる• 陽子と電子が結合して水素原子になった時の温度(約3000K)• 3000Kから輻射される光の波長がドップラー効果で引き伸ばされる→宇宙の全方向から来る同じ波
長のマイクロ波
宇宙最初の光で充満、その温度にムラが見られる。

電子

陽子

水素原子
Credit: NASA49

超高温での物質のふるまい→素粒子実験の世界
Large Hadron Collider

円周：27ｋｍCredit: CERN

つくばの⾼エネルギー加速器研究機構のBファクトリー（電⼦陽電⼦衝突型加速器）と東海村で稼動予定のＪＰＡＲＣ。B中間⼦やニュートリノなど様々な素粒⼦を作る
KEK-B factory

Credit: KEK

スイスのジュネーブで稼動予定のＬＨＣ。
光速度の0.9999999999999989倍まで加速した陽⼦と陽⼦を正⾯衝突。
J-PARC消えた反物質のなぞ

スーパーカミオカンデ(写真東京大学宇宙線研究所)
51

物質と反物質
霧箱で⾒つかった陽電⼦の⾶跡
Physical Review 43 (6): 491–494

光粒子

ディラック
https://us02web.zoom.us/meeting/register/t
ZYlf-6qqz0uG9xQ2ycXN-m23HJ9CgoflMp8

反粒子• すべての素粒子には電荷が反対な他はまったく同じ性質の「反粒子」がある• 光から「対生成」する。
• 「対消滅」して光になる。
• 量子力学を作ったディラックが予言• 1932年、アンダーソンが宇宙線の中に陽電子を発見（最初の反粒子）52

粒子と反粒子の記法e-e+e とは余り書かない電子

反電子（歴史的に陽電子と呼ばれる）

pp

陽子

反陽子

bar と読む

p-とは余り書かない

電荷を持っていれば+と-の区別
電荷が無ければ bar をつけることが多い
53

反物質で出来た反宇宙？
対生成

電子

光陽電子

陽子

対生成

反陽子

反水素

宇宙

水素

反宇宙

54

未来への課題；消えた反物質のなぞ
n光から「物質」・「反物質」が同数生まれたのなら、なぜすべて対消滅して光にもどってしなわないのか？
n「物質」と「反物質」が宇宙の別々の場所に存在して出会わないからだろうか？
nしかし、反物質のみでできた反宇宙は見つかっていない
n粒子と反粒子の振る舞いの差(CP非対称性）にヒント？
小林誠

益川敏英

2008年ノーベル物理学賞受賞
ＣＰ対称性の破れを説明するため、素粒子が３世代あると予言した事に対して
https://www.kmi.nagoya-u.ac.jp/membervisitors/members から抜粋

55

なぜ反宇宙は存在しない ？
反宇宙

宇宙

粒子反粒子対生成光

陽子

反陽子
粒子反粒子対消滅

10,000,00
0,001＋ 10,000,00
0,000

陽子の数

反陽子の数

＝１
残った陽子の数• 生成時は粒子・反粒子同数• その後の反応・崩壊過程の中に粒子反粒子(CP)非対称性• その結果、粒子と反粒子の数に食い違い発生• 大半は対消滅するが、「おつり」が残る（１００億分の１）56サハロフの３条件
ビッグバン直後の宇宙で（１）バリオン数保存を破る反応の存在(陽子崩壊）（２）ＣＰ非保存（粒子と反粒子の振る舞いの差）（３）熱平衡状態からはずれるを満たせば、宇宙に「物質」だけを少し多くできる
アンドレイ・サハロフ

バリオン数：陽子（中性子）の総数

RIA Novosti archive, image #25981 /Vladimir Fedorenko / CC-BY-SA 3.057

Ｔ２Ｋ実験（東海から神岡）でニュートリノ振動でのCPの破れニュートリノと反ニュートリノで振動の違いの兆候？
T2K Collaboration

２０１１年６月
第３の振動モードを確認

nµ g neNature 580, 305 (2020)

３番電子ニュートリノ

ne目の振ミューニュートリノ

動nµnt

タウニュートリノ

582020年、nµgneと反nµg反neの違いを観測(νでのCPの破れ）カミオカンデ実験の本来の目的： 陽子崩壊の探索
http://www-sk.icrr.utokyo.ac.jp/sk/news/2017/02/SN1987A-en.html

小柴昌俊教授寿命（~半減期）１０35年？

スーパーカミオカンデでもみつかっていない
59
現在の観測結果：寿命は1034年以上か？

カミオカンデからスーパーカミオカンデ
そしてハイパーカミオカンデへ
スーパーカミオカンデの８倍の有効体積人工のニュートリノビームを打ち込む

ハイパー カミオカンデ

茨城県東海村
J-Parc加速器
10m

40m

カミオカンデ

３千トン

５万トン

スーパーカミオカンデ

71m

26万トン
ニュートリノビーム

68m
提供JAEA/KEK J-PARCセンター

gニュートリノをつかって、物質と反物質の謎を解き明かす

ニュートリノ振動のCP非対称性
陽子崩壊の発見60

ハイパーカミオカンデ建設中©ハイパーカミオカンデ研究グループ（東京大学宇宙線研究所HPより）

61最も大きい宇宙の始まりを知るには最も小さい素粒子の世界を知る必要

62

素粒子と宇宙
１億分の１センチ

約10万光年= 約１０００億センチの１兆倍

電子原子核
１兆分の１センチ

まったく違うサイズ！しかし…

最も小さい世界は最も大きい世界につながっている63

究極の小（素粒子）究極の大（宇宙）
１０２６ｃｍ１０-２０ｃｍ

１０２０ｃｍ「ウロボロスの蛇」
１０-１５ｃｍ

究極の物理は互いに繋がっている

１０-１０ｃｍ

１０１０ｃｍ

１０-５ｃｍ

最後に…

１０１５ｃｍ

１０５ｃｍ
１ｃｍ
64

おしまい65