杉山　弘晃

杉山　弘晃京都産業大学　益川塾　博士研究員

天文学講座＠神山天文台、 2014 年５月１７日

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益川塾ってどんなところ？

素粒子

素粒子の質量

宇宙の質量

細かくしてみよう“ ちから” ( 相互作用 ) も素粒子役に立つの？

ＬＨＣ実験でのヒッグス粒子発見ヒッグス場と素粒子質量

暗黒物質

もくじ

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益川塾ってどんなところ？益川塾ってどんなところ？

２００８年に益川さんに訪れた「とある事件」 ( 益川さん談 ) によって設立

毎年塾生を募集して、１号館の４階で主に「素粒子物理学理論」を研究しています

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入塾証授与式入塾証


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研究室眺め


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研究発表風景議論風景


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素粒子

素粒子の質量

宇宙の質量



暗黒物質

もくじ

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素粒子って何？素粒子って何？

モノを作る最も小さい材料

素粒子と思われていたものがもっと小さい材料から作られていることが判明することもある。

科学の発展によって変わっていく。

「いろいろなモノは何からできているのだろう？」という素朴な疑問への答えとなる概念。

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古代の素粒子 ( 元素 )古代の素粒子 ( 元素 )

古代中国：五行

古代ギリシャ：四大元素

木・火・土・金・水

地・水・火・空気

惑星や曜日のなまえ

ファンタジーの世界

古代インド：五大 ( 五輪 )

地・水・火・風・空宮本武蔵の五輪書の巻名

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細かくしてみよう細かくしてみよう

ほしみ～るちゃん（神山天文台マスコットキャラクター）

Fe鉄原子

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（神山天文台マスコットキャラクター）

鉄原子


電子

原子核

（素粒子！）

Fe

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電子

原子核

（素粒子！）

陽子

中性子

０

＋

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陽子

中性子

０

＋アップクォーク（素粒子！）

ダウンクォーク（素粒子！）

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アップクォークダウンクォーク電子

これだけだとバラバラなので、接着剤が必要！

だいたいこれらから作られる

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＋

光子電気的・磁気的な力を伝える粒子

つまり電磁波 ( 光 ) の粒子化

引力

斥力

（原子を作る）

（“地面”を作る）

“ ちから” ( 相互作用 ) も素粒子“ ちから” ( 相互作用 ) も素粒子

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グルーオン

クォークに働く『強い力』陽子・中性子 ( や原子核 ) を作る接着剤

陽子

＋

斥力

引力

勝つ( 強い！ )


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ウィークボゾン

原子核の反応に関わる“ちから”

粒子の種類を変える

“３つ子”


＋０

中性子

ベータ崩壊

陽子

電子

ニュートリノ ( 素粒子！ )( 反電子ニュートリノ )

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ウィークボゾン

原子核の反応に関わる“ちから”

粒子の種類を変える

“３つ子”


＋重水素の原子核

核融合 ( 太陽のエネルギー源 )

陽子２個陽電子 ( 電子の反粒子 )

＋０

＋

電子ニュートリノ

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重力を伝える粒子

理論が未完成！重力子


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見つかっている素粒子の一覧表見つかっている素粒子の一覧表

電子

電子ニュートリノ

アップ

ダウングルーオン

光子

ヒッグス粒子

Z W+ Wー

ミュー粒子

ニュートリノミュー

チャーム

ストレンジ

タウ粒子

ニュートリノタウ

トップ

ボトム

http://higgstan.com/

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電子ミュー粒子タウ粒子

電子ニュートリノニュートリノ

ミューニュートリノタウ

アップ

ダウン

チャームトップ

ストレンジボトム

ヒッグス粒子

Z W+ Wー


質量ゼロ

グルーオン

光子

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ミュー粒子タウ粒子



ヒッグス粒子

Z W+ Wー

グルーオン

光子




質量　　　　程度

電子

アップ

ダウン

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タウ粒子


ボトム

ヒッグス粒子

Z W+ Wー

グルーオン

光子



電子

アップ

ダウン



ミュー粒子

ストレンジ

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トップ

ヒッグス粒子

Z W+ Wー

グルーオン

光子



電子

アップ

ダウン

ミュー粒子

ストレンジ



タウ粒子

チャーム

ボトム

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グルーオン

光子



電子

アップ

ダウン

ミュー粒子

ストレンジ

タウ粒子

チャーム

ボトム


質量　　程度

トップ

ヒッグス粒子

Z W+ Wー

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アップ

ダウン



ヒッグス粒子

Z W+ Wー

グルーオン

光子


質量　　　以下



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素粒子発見の歴史素粒子発見の歴史

１８９７年：電子の発見

１９３７年：ミュー粒子の発見

１９５６年：電子ニュートリノの発見１９６２年：ミューニュートリノの発見１９６９年：アップ、ダウン、ストレンジクォークの発見

１９７４年：チャームクォークの発見１９７５年：タウ粒子の発見１９７７年：ボトムクォークの発見１９７９年：グルーオンの発見１９８３年：ウィークボゾンの発見

１９９５年：トップクォークの発見２０００年：タウニュートリノの発見

２０１２年：ヒッグス粒子の発見

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素粒子物理学　～何の役に立つの？～素粒子物理学　～何の役に立つの？～

芸術家：良い音色を出せるとうれしい物理学者：うまく式で表せるとうれしい

冒険家：そこに山があるから登ってみたい物理学者：そこに謎があるから解明したい

陸上競技者：人はどれだけ速く走れるか挑戦物理学者：人はどこまで宇宙を理解できるか挑戦

物理学者だけ「役に立つの？」と聞かれる…

「純粋科学」と「技術」の混同

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素粒子物理学　～何の役に立つの？～素粒子物理学　～何の役に立つの？～

フェルミ研究所の加速器建設についてアメリカ上下両院合同委員会での質疑応答

John Pastore 議員「この加速器は国防に役立ちますか？」

Robert.R. Wilson （のちの初代所長）「国を守ることに直接関係しませんが　　　　守る価値のある国にできます」

http://history.fnal.gov/testimony.html

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素粒子物理学　～役に立つことも？～素粒子物理学　～役に立つことも？～

半導体、フラッシュメモリ

量子力学：非常に微小な世界を扱う

純粋科学が役に立った例

一般相対性理論：精密な重力を扱う

GPS

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世界で最初のウェブサイト (1990)

http://info.cern.ch/hypertext/WWW/TheProject.html


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CERN ( ヒッグス粒子の発見場所 ) にて大規模な国際研究の利便性のためにT.J. Berners-Lee (左 ) が R. Cailliau (右 ) とともに開発。

１９９３年４月３０日にCERN は WWW を無料で公開 !( 特許を取っていたらどうなっていた？ )

World Wide Web

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素粒子

素粒子の質量

宇宙の質量



暗黒物質

もくじ

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２０１２年７月４日：ヒッグス粒子発見２０１２年７月４日：ヒッグス粒子発見

そして、

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２０１３年ノーベル物理学賞２０１３年ノーベル物理学賞

Peter HiggsFrançois Englert

F. Englert and R. Brout,Phys. Rev. Lett. 13, 321 (1964)

P.W. Higgs, Phys. Lett. 12,132 (1964)

Englert さんの共著者であるRobert Brout さんは残念ながら 2011 年に亡くなっていました。存命ならば共同受賞していたはずです。

６月２６日投稿７月２７日投稿

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Conseil Européen Recherche Nucléaire( 欧州原子核研究理事会。準備段階の名称 )

現在は日本語だと「欧州原子核研究機構」

CERN の LHC 実験CERN の LHC 実験

Large Hadron Collider( 大型ハドロン衝突型加速器 )

加速した陽子同士を衝突させる

スイスの首都ジュネーブの、フランス国境付近

２００８年９月１０日の Google

周長 27km のリング、地下約 100m

Google ストリートビュー： https://www.google.com/maps/views/streetview/cern

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ジュラ山脈

フランス

スイス

ジュネーブ空港

LHC (27km)

CERN

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8.5km

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http://www.atlas.ch/multimedia/2-photon-event.html動画の URL

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LHC 実験でのヒッグス粒子発見LHC 実験でのヒッグス粒子発見

http://www.atlas.ch/multimedia/a-higgs-particle-decaying-2-photons.html動画の URL

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グルーオン衝突

光子

陽子

陽子

すぐ壊れる

光子

光子２つのエネルギー

ヒッグス粒子生成ヒッグス粒子の質量

( 測定するもの )

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発見

発見

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https://twiki.cern.ch/twiki/pub/AtlasPublic/HiggsPublicResults//Hgg-FixedScale-Short2.gif

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なぜ重要な発見か？

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素粒子の質量の起源素粒子の質量の起源

きれいな理論を考えると質量を持てない！

モネ作：睡蓮物理学者作：ゲージ対称な理論

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素粒子の質量の起源素粒子の質量の起源

ヒッグス場を導入してちょっと複雑に

モネ作：睡蓮物理学者作：標準模型

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素粒子の「標準模型」素粒子の「標準模型」

「標準模型」：物理理論の固有名詞標準の名にふさわしい大成功

ミュー粒子の異常磁気能率

「標準模型」の予言値： 2.0023184

実験での観測値： 2.0023184 ミュー粒子

ヒッグス粒子が長らく発見されていなかった

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素粒子の「標準模型」素粒子の「標準模型」

「標準模型」の素粒子の最後のパーツ

質量に関わるとても重要な粒子

理論的な美しさをやや損なうのでヒッグス粒子のない理論も考えられていた

ヒッグス粒子発見の意義

「標準模型」が磐石に

質量の作り方の確認

「標準模型」でよさそう

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素粒子

素粒子の質量

宇宙の質量



暗黒物質

もくじ

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準備　～質量～準備　～質量～

重さ：無重力状態ならゼロ

質量：無重力状態でもそのままある

鉄

動かしづらさを表す量

動かしづらい動かしやすい

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準備　～質量～準備　～質量～

質量なし：光速で飛び続ける

質量あり：光速より遅い

止まったりしない

止まることもできる

光子質量なし：光速

質量あり：

電子

遅い

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よくある誤解よくある誤解

抵抗があると ( 水中 ) 動きにくいのは理解しやすい( 短時間、限られた紙面での解説には仕方ない )

でも、抵抗なら動きが止まってしまう

何か変今日はちゃんと説明してみます

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準備　～場～準備　～場～

場：各場所に値があるもの( 場所の「関数」が実在している感じ）

＋

各場所に方向を持った値がある

電場

各場所に方向を持たない値がある

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準備　～場～準備　～場～

電荷をゆする＝場にエネルギー

＋

場が波打つ

場：各場所に値があるもの( 場所の「関数」が実在している感じ）

粒子の源にもなる

＝電磁波 ( 光子 )

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準備　～真空～準備　～真空～

真空の特徴：粒子は居ない「場」には満たされている

＋

真空真空電荷を置かない＝値ゼロの場がある

真空

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ヒッグス場とヒッグス粒子ヒッグス場とヒッグス粒子

ヒッグス場：各場所に方向を持たない値が対応ヒッグス粒子の源

ヒッグス粒子：ヒッグス場の波

００１０

００００

００００

００００

００００

００１０

００００

００００

００００

００００

００１０

００００

ヒッグス場

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ヒッグス場と素粒子質量ヒッグス場と素粒子質量

ヒッグス場の値

０


０

真空では値がゼロ

真空でも値がある

ヒッグス場：実は真空での値がゼロでなくても良い

真空の性質を変える！

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０


０



誤：「ヒッグス粒子」が真空に詰まっている

正 (?) ：「ヒッグス場」の値が真空に詰まっている

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０


０



ヒッグス場：真空の性質を変える！

素粒子に質量を与える！

徐行光速 ( 質量 !)

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０


０



徐行光速 ( 質量 !)

誤：「ヒッグス粒子」とぶつかる抵抗

正：「ヒッグス場」による真空の性質変化

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０

質量の違い：「ヒッグス場」への注意力の違い

見ない ( 質量ゼロ )

よく見る ( 重い )あまり見ない ( 軽い )

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ヒッグス場はダイエットの敵？ヒッグス場はダイエットの敵？

モノの質量の原因は

陽子・中性子の質量は材料のクォーク３個分より

モノの質量 ( 陽子・中性子の質量 ) は素粒子質量 ( ヒッグス場 ) とは別の原因による( 約 2% だけがヒッグス場による質量 )

ずっと重い

陽子・中性子の質量

＋

＋

０

＝＋０

＋０＋０

＋０

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ヒッグス粒子の誤解のまとめヒッグス粒子の誤解のまとめ

誤：「ヒッグス粒子」正 (?) ：「ヒッグス場」の値

誤：「ヒッグス粒子」とぶつかる抵抗正：「ヒッグス場」が真空の性質を変えるから

真空に詰まっているのは、

素粒子質量の原因は、

モノの質量の源は、誤：「ヒッグス粒子」正： 2% だけが素粒子質量 ( ヒッグス場 ) 起源

98% は別の起源 ( 解明されている )

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素粒子

素粒子の質量

宇宙の質量



暗黒物質

もくじ

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暗黒物質　～銀河団の運動～暗黒物質　～銀河団の運動～

「繋ぎ止める重力」に必要な質量

見えている質量＝約 400

F. Zwicky, Helvetica Physica Acta 6: 110–127 (1933)

見えない質量がないと銀河団はバラバラに

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暗黒物質　～銀河の回転～暗黒物質　～銀河の回転～

惑星の運動：遠いほどゆっくり( ケプラーの第２法則：面積速度一定 )

銀河内の星の運動

速さ

中心からの距離

予想

観測

何かある

V. Rubin, W. K. Ford, Jr Astrophysical Journal 159: 379 (1970)

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暗黒物質　～弾丸銀河団～暗黒物質　～弾丸銀河団～

高温のガスの領域：光るので見える

質量の領域：重力レンズでわかる

ぶつかるので取り残される

なぜかそのまますり抜けている !

弾丸銀河団：大きな銀河団を小さな銀河団が貫いた

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A,B,C は同じ天体

重力レンズ

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暗黒物質　～宇宙の大規模構造形成～暗黒物質　～宇宙の大規模構造形成～

暗黒物質を考慮しないと計算機シミュレーションが観測と合わない

http://www.sdss.org/

http://4d2u.nao.ac.jp/t/var/download/lss2.html動画の URL

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暗黒物質　～宇宙の温度ゆらぎ～暗黒物質　～宇宙の温度ゆらぎ～

宇宙の温度：平均３ K ( マイナス 270℃)

平均からのずれが色々な情報を持つ

http://sci.esa.int/planck/43109-mapping-the-cmb-with-planck-hd-version/

動画の URL

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http://sci.esa.int/planck/53108-planck-and-the-cosmic-microwave-background/

宇宙の温度：平均３ K ( マイナス 270℃)

平均からのずれが色々な情報を持つ

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138 億年後 : 現在

晴れ上がり38 万年後 :

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通常の物質： 4.9%

暗黒物質： 26.8%

暗黒エネルギー： 68.3%

５倍 !

現在の宇宙のレシピ

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暗黒物質の性質暗黒物質の性質

電気を帯びていない

質量を持っている

崩壊しない

光 ( 電磁波 ) を出さないから

銀河を重力でつなぎとめるため

宇宙にたくさん残っているから

「暗黒」というより「透明」

あまり相互作用しない弾丸銀河団の質量のすりぬけ

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暗黒物質の正体暗黒物質の正体

ニュートリノニュートリノニュートリノ


電子ミュータウ

アップ

ダウン


ストレンジボトムグルーオン

光子

ヒッグス粒子

Z W+ Wー

どれも暗黒物質とみなせない !

質量ゼロ

崩壊する

帯電

軽すぎ

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暗黒物質の正体暗黒物質の正体

謎 !ともかく新しい何か

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まとめまとめ

ヒッグス場による真空の性質変化

ヒッグス粒子はヒッグス場を伝わる波

素粒子の「標準模型」は磐石

素粒子に質量を与える原因は

でも宇宙の約５％だけを見ていた

宇宙の質量 ( 物質 ) はほとんどが暗黒物質

暗黒物質 26.8%

通常物質 4.9%

まだまだ謎だらけ

杉山　弘晃

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