宇宙史国際研究拠点	
拠点長： 金 信弘 （物理学域）	

センター発足式
2014年9月1日	
数理物質系・物理学域

受川史彦	

宇宙史国際研究拠点	

３つの部門：
・ 南極天文・ 素粒子構造・ クォーク・核物質2

宇宙の歴史： いかにして現在の姿に到ったか？	
始まり	

à

à 	

膨張・冷却

電磁気力	
強い力	
ヒッグス	
陽子
中性子

素粒子

現在（137億年）	

重力	

原子核
（イオン）

電子	

原子	

（質量零）

ブラックホール	

クォーク
グルオン
銀河	
10-10 秒	星	10-4 秒	
38万年	

3

宇宙史国際研究拠点（朝永センター）	
目標： 素粒子・原子核・宇宙物理学の融合と、実験・理論の協調により、宇宙史の統一的理解	
宇宙史の統一的描像の構築	
質量起源・クォークグルオンプラズマ・銀河ブラックホール形成の包括的理解	
暗黒物質・暗黒エネルギーの謎の解明	

ヒッグス ・ニュートリノ・クォークグルオンプラズマ・ブラックホール・銀河形成を手掛かりとして国際共同研究の推進，研究拠点の形成	
••••10-10 秒後
ヒッグス場の凝縮素粒子が質量を獲得
10-4 秒後クォークが結合して核子に１秒後宇宙背景ニュートリノ
１億年
第１世代天体南極天文部門 （南極天文台）

5

6

7

8

910

素粒子構造部門• 高エネルギー加速器を用いた陽子陽子衝突実験
欧州 CERN 研究所 LHC 加速器
大規模な国際共同実験
ヒッグス粒子ATLAS 実験

• 宇宙背景ニュートリノの崩壊探索
筑波大学グループを主とする国際チームによる研究
ニュートリノ• 超弦理論の研究
重力の量子場の理論
４つの力の統一	

11

素粒子

クォーク	

物質粒子	

レプトン	

力の伝達：	

“ゲージ粒子”	

電磁気力
強い力
弱い力
重力	

相対論的な量子場の理論により定式化： 素粒子標準理論

電磁相互作用の相対論的量子場の理論の完成
朝永振一郎 1906 - 1979	

• 湯川秀樹（1907 – 1981) とともに日本の素粒子物理学を開拓	
• 東京文理科大学・東京教育大学にて戦中・戦後に量子電気力学の研究に従事，くりこみ理論 を構築	
• 1965年，上記業績によりノーベル物理学賞
Julian Schwinger, Richard Feynmanと共同受賞	

素粒子構造部門： ヒッグス研究

クォーク	物質粒子	

力の伝達：	

“ゲージ粒子”	

レプトン	

南部陽一郎	

2008 �ノーベル物理学賞	

ヒッグス粒子：	

粒子に質量を与える	

14

2012/7/5	

2013/10/8 	LHC
加速器， CERN 研究所
ATLAS 実験 検出器
ヒッグス粒子の候補事象の例

2008年9月に初のビームが周回	ATLAS 実験の今後	
• ヒッグス粒子の精査Ø さまざまな性質の精密測定Ø 標準理論の予言する粒子？
Ø あるいは，似て非なるもの？

• 標準理論を超える新粒子・新現象の直接探索Ø 超対称性？
Ø 余剰次元？ ブラックホール？
Ø 暗黒物質粒子？

• より高い衝突エネルギー
2015年～

8 TeV à 13/14 TeV• 高統計のデータで測定精度を向上
2022年～
物理解析：
検出器増強：

加速器増強

輝度 10倍データ量の増大高輝度環境への対応→ 解析手法・計算機環境→ 新型シリコン飛跡検出器
拠点・センターを超えた連携	

17

素粒子構造部門： ニュートリノ研究
ニュートリノ：
例えば，中性子の β 崩壊において生成される	Ø 物質粒子のひとつ
Ø 電荷を持たない
Ø 弱い相互作用のみ行う
長いこと質量が零であると思われてきたが，2000年前後にニュートリノ振動現象が確立→ 小さいながら，零でない質量を持つu 他の物質粒子と比べても格段に軽い
なぜ？ 特別な理由がある？
u 質量が零でないことは判ったが，その絶対値は測定されていない	
18

宇宙背景ニュートリノ崩壊探索
現在、素粒子の中でニュートリノの質量のみが	測定されていない。そのニュートリノ質量を決定	することは質量の起源を解明するために	ヒッグス粒子の性質の研究を行うのと同様に	重要である。	
ニュートリノの異なる質量固有状態間の質量二	乗差Δm2ij はニュートリノ振動実験で高精度で測	定されているが、質量そのものは測定されていな	い。ニュートリノ崩壊を検出することによって、	ニュートリノ振動とは独立な量を測定することが	でき、それによってニュートリノ質量を決定する	ことができる。			

W	 ν 3ν2	τ,µν 3 →ν 2 + γγ		222−Δ
mmm3223����������������ニュートリノの寿命は非常に長いので、崩壊観測する	
=E
γ =2m 32m 3
ためのニュートリノ源として、宇宙背景ニュートリノ	2（CνB）を用いる。したがって、このニュートリノ崩壊を	Using Δm23= ( 2.43 ± 0.09 ) × 10 − 3 eV 2
観測することは宇宙論で予言されている宇宙背景	
Eγ = 10〜25 meV at ν 3 rest frame.
ニュートリノの発見となる。	
(Far - Infrared region λ = 50〜125 µ )ニュートリノ崩壊信号検出の可能性	
宇宙赤外線背景輻射�＋�
ニュートリノ崩壊からくる光子の�エネルギー分布（E0＝25meV, 	τ＝1.5 x 1017年）�
��
直径20cm、視野0.1度の望遠鏡�
10時間の測定、検出効率100％�

●�2%以下のエネルギー分解能が必要。	
● 質量50meV, 寿命1.5 x 1017年（ＬＲ対称模型予言）のν3の崩壊は6.7σで観測可能。	
● 現在の寿命下限（AKARI) 3 x 1012年	
S.H. Kim et al. JPSJ 81 (2012) 024101		
2017年に予備実験としてロケット実験を行う。
寿命下限を101４年まで上げる。	

dN/dEγ	�

宇宙赤外線背景輻射��
宇宙背景ニュートリノ崩壊光�ニュートリノ崩壊探索ロケット実験
2017年に実験予定。�200㎞以上の高度で5分間データ収集． ニュートリノ
寿命下限を2ケタあげる ( ~1014年)。		

JAXA Rocket CIB Experiment（Feb 2, 1992） 	

赤外線検出器部には超伝導トンネル接合素子（ＳＴＪ）検出器を用いる。	

SOI-STJ一体型検出器の試作・試験	
SOI  (Silicon-On-Insulator)前置増幅器  :    極低温(0.9K)で作動する
低ノイズ前置増幅器.
Tsukuba-KEK-Lapisが共同開発．

SOIトランジスタ基板上に  Nb/Al-STJ  を作成してSOI-STJ一体型検出器1号試作機を製作。
極低温(0.75K)でNb/Al-STJ検出器と  SOI  MOSFETが共に正常に動作した．

�50μm角のSTJに可視光レーザー(465nm)を照射し、STJの信号確認	�I (1mA /DIV.)�

	Signal	(〜2μs)�
V (2mV /DIV.)�

500μV /DIV.�
1μS /DIV.�

宇宙背景ニュートリノ崩壊探索研究グループ	
ソウル大

FNAL

S.B.KimE. Ramberg

STJ検出器	エレクトロニクス		

近畿大	

加藤	
STJ検出器		
JAXA/ISAS	

松浦、池田、和田	
ロケット、	クライオスタット、	エレクトロニクス、光学系			

福井大	

理研

吉田	美馬	

STJ検出器		

STJ検出器		岡山大	

石野	
STJ検出器		

筑波大学

金、武内	
STJ検出器、	クライオスタット、	エレクトロニクス、光学系	

KEK

新井、羽澄	エレクトロニクス	

超弦理論の研究
素粒子は点ではなく長さを持つ弦である	

• 重力の量子論くりこみ理論が通用しない• 4つの力の統一
ヒグス粒子の質量を説明する○弦の場の理論○AdS/CFT対応を用いた強結合ゲージ理論の研究	

=	クォーク・核物質部門： クォーク・グルオン・プラズマ研究

25

数理物質融合科学センター

宇宙史国際研究拠点

クォーク・核物質部門	
新たな物質相の研究 	
クォーク・グルーオン・プラズマ	
Quark Gluon Plasma (QGP) 研究	

臨界点

ハドロン相からクォーク相への相転移	アメリカ合衆国、ニューヨーク郊外、	ブルックヘブン国立研究所（BNL）、	超相対論的重イオン加速器（RHIC）	を使ったPHENIX実験	

スイス・フランス国境のジュネーブ郊外、	欧州共同原子核研究機構（CERN）、	ＬＨＣ加速器を使ったＡＬＩＣＥ実験	

筑波大学、計算科学研究センターの計算機システム：「HA-PACS」「COMA」等	

巨大加速器を用いて光速近くまで加速した原子番号の大きな原子核同士を衝突させる。	

衝突後の入射原子核	

実験データ

衝突後の入射原子核	

１衝突で数千〜数万の粒子生成	

STARCMSPHENIX

パートンのQGP中での	エネルギー損失	

QGPの楕円型集団膨張	ジェット１	y!

z!
x!

ジェット２	

QGP発展中の事象揺らぎと臨界点	
QGP相	
相転移・臨界点	
粒子数、保存量、pT、vn等の分布	

ハドロン相	

クォーク・核物質部門

研究体制	

シリコン軌跡検出器
重いクォーク物理
秋葉康之、他

CERN研究所
LHC加速器ALICE、ATLAS実験
Yves Schutz、他

BNL研究所
RHIC加速器
PHENIX、STAR実験
Dave Morrison、他

理化学研究所

筑波大学
カロリーメータ検出器
ハドロン・ジェット物理
江角晋一、中條達也、
益井宙、小沢顕、三明康郎、金谷和至、他

東京大学CNSGEM-TPC検出器
電子・光子物理浜垣秀樹、郡司卓、他

広島大学
光子検出器
光子物理
杉立徹、志垣賢太、他

拠点の計画と体制• 測定器開発室• 逆問題推進室との連携• 宇宙史コンソーシアム• 年次計画• 外部資金	31

検出器開発室	
宇宙史研究のための実験・観測に用いる検出器技術に関する情報共有を密にしながら、先端検出器の開発を推進する。			
検出器開発室			 	超微細加工検出器	
極低温超伝導検出器技術	 検出器高速読み出し	 	技術	技術		超伝導トンネル接合素子（ＳＴＪ）		
ＳＯＩピクセル飛跡検出器	
赤外線検出器	新型カロリメータ	
高放射線用シリコン飛跡検出器	
超伝導多素子共振器（ＭＫＩＤ）		
飛行時間測定器				 			この先端検出器開発の多くはＴＩＡ連携（ＫＥＫ、産総研）のもとに進められている。	
検出器開発室は将来、数理物質融合科学センター全体で先端測定器技術の開発を推進する。	
32

宇宙史コンソーシアム	
筑波大を中心とするオールジャパンチームと海外研究所・大学が宇宙史の統一的理解を目指した素粒子・原子核・宇宙物理学の融合研究を推進。	
ソウル大	
S.B.Kim教授 	
ニュートリノ：超伝導検出器	

欧州CERN研究所	

米国フェルミ研究所	

Y. Schutz (IN2P3/CERN)	
ヒッグス、QGP：LHC加速器	

E. Ramberg 	ニュートリノ：エレクトロニクス			岡山大	
石野宏和准教授	
ニュートリノ：超伝導検出器		
福井大	
吉田拓生教授	
ニュートリノ：遠赤外線源	

近畿大	

東京大	

筑波大学	
金信弘教授、受川史彦教授、江角准教授	
ヒッグス：シリコン飛跡検出器、	QGP：カロリメータ	
ニュートリノ：超伝導検出器、	クライオスタット、エレクトロニクス		

浜垣秀樹教授	QGP：GEM-TPC		
広島大	
杉立徹教授 QGP：
光子カロリメータ	

加藤幸弘准教授	
ニュートリノ：データ収集		
JAXA/ISAS	

KEK	

松浦周二助教	
ニュートリノ：ロケット、	クライオスタット、	エレクトロニクス、光学系	

新井康夫教授	
ニュートリノ：エレクトロニクス	
ヒッグス：シリコン飛跡検出器		

理研	
秋葉康之グループリーダー	
QGP:：シリコン飛跡検出器	
ニュートリノ：超伝導検出器		

宇宙史国際研究拠点(朝永センター）研究年次計画	
2014			
全体	

2015	

2016	

2017		

2018	

2019		

2020	

2021	

2022	

2023	

物理の検討，共通する検出器技術の開発	
宇宙史の統一的描像の構築	
質量起源・QGP・銀河BH形成の包括的理解	
暗黒物質・暗黒エネルギーの謎の解明	

南極望遠鏡	

国内試験	

設計・製作	ヒッグス	LHC ATLAS実験	

宇宙背景ニュートリノ崩壊探索実験	
超弦理論	
QGP	
LHC ALICE実験	
BNL PHENIX実験	

データ収集運転 （13 TeV)	
データ解析	
検出器開発	

輸送・組立・試験	

運転 （14 TeV)	
検出器建設	

衛星実験用超伝導検出器の開発・製作	
超伝導検出器の開発・製作	

観測・解析	

衛星実験・データ解析	

ロケット実験・解析	

超弦理論に基づくbrane 配位と超対称ゲージ理論のヒッグス相の関係の研究	
検出器開発	

検出器建設	

データ解析	
データ収集運転	

データ収集運転	

上記の南極望遠鏡、ATLAS実験、宇宙背景ニュートリノ崩壊探索実験・ALICE実験の4実験はマスタープラン大型研究計画に内定している。	
34

		素粒子	

大型科研費・外部資金の獲得状況と計画	

ニュートリノ	
新学術領域「ニュートリノ」計画研究 （代表 金） Ｈ25～Ｈ29 7800万円	
日米科学技術協力事業「ニュートリノ崩壊」 （代表 金） Ｈ24～ 1800万円 	
基盤(Ｓ)「宇宙背景ニュートリノ崩壊探索実験」（代表 金） Ｈ27～ 2億円	ヒッグス	
新学術領域「ヒッグス」計画研究 （分担 受川） Ｈ23～Ｈ27 5000万円	
新学術領域「ＡＴＬＡＳ実験」 Ｈ28～ 5000万円	

原子核	ＱＧＰ	
日米科学技術協力事業「PHENIX実験」 （代表 江角） Ｈ23～ １億円	基盤（Ｂ）「グルオン衝撃波の探索」（代表 三明） H25～H28 1430万円 	
基盤（Ｂ）「ＡＬＩＣＥ実験前方光子検出器」（代表 中條） H25～H27 1911万円 	
特別推進研究「QGP」 Ｈ27～ 2億円（あるいは素粒子と合同で5億円の提案を検討中）	

宇宙観測	南極望遠鏡	
基盤（Ａ） 「大規模電波カメラによる「あかり」北極域の掃天観測」 （代表 中井）	Ｈ26～Ｈ30 3250万円（直接経費）		
他に

基盤(C)「重いクォーク生成の物理」 （代表 受川） H25～H27 468万円	
基盤(C)「ヒッグス湯川結合の測定」 （代表 原） H25～H27 455万円	
新学術領域「イメージング」計画研究 （分担 原） Ｈ25～Ｈ29 598万円/H25	
新学術領域「中性子星」公募研究 （代表 江角） Ｈ25～Ｈ26 299万円