PDF 現代の物理3 素粒子物理学

自然科学概論A（原科）

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現代の物理３ 素粒子物理学

テーマ 物質をどんどん細かく分けていくとどうなる？

原子の構造

原子をもっと細かく分けていくと

力と素粒子

力とは・・・力を受けると物体の速度V ^{が変化する}

スケート場でキャッチボールをする ⇒ A君とB君の間に力が作用した

核力と中間子

核力・・・原子核内で核子（陽子と中性子）同士を 結合する力

重力でも電磁気力でもない，新しい力

湯川秀樹（1907～1981年）1949年ノーベル物理学賞 中間子理論（未発見の粒子を予言）

中間子という素粒子をキャッチボールすること により，核子同士に核力が作用する。

力の作用する距離から，中間子の質量 は電子の200倍程度

1947年に宇宙線から発見 ・・・ パイ中間子

力は，粒子をキャッチボールすること 力は，粒子を放出，吸収する能力

V1 V₂

v

V1 V²

中間子

陽子

or 中性子

陽子or 中性子

時間

放出 吸収

中間子が飛ぶ短い時間だけは，

エネルギー保存則が成り立っていない。

（不確定性原理で許される）

V1 V₂ V₁ V₂ V₁ V₂ v

中性子

陽子 原子核

電子

原子 原子核

A君 B君の速度

が変化

スケートリンク

B君

投げる 受ける

A君の速度

が変化

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42 量子力学と相対性理論を組み合わせると

シュレディンガーやハイゼンベルグの量子力学は，相対論的でない。

アインシュタインの相対論的運動方程式は，ミクロな素粒子には使えない。

ディラック（1902～1984イギリス）1933年ノーベル物理学賞 相対論的量子力学（ディラック方程式）

この方程式を解くと，

①電子が自転（スピン）している答。 磁石の性質を持つ ②マイナスのエネルギーを持つ答が出てきた。

答の解釈 ⇒ プラスの電気をもつ電子（陽電子…反粒子）を表す

反粒子：粒子と対を成し，質量などの性質は同じ，電気の符号が逆（C対称性）

粒子と反粒子が出会うと，質量エネルギーの２倍のエネルギー（2mc²）を 放出して消滅する。（対消滅）

陽子‐反陽子，中性子‐反中性子，…

宇宙の始まりには，粒子と反粒子は同じ数だけ生まれたはずだが，

対消滅を繰り返した結果，なぜか粒子だけが生き残って，現在の 宇宙が形成されたと考えられている。未解決の謎。（CP対称性の破れ）

クォーク模型

宇宙線や加速器実験で，陽子・中性子には仲間があることが発見された。

ラムダ粒子，シグマ粒子，グザイ粒子，… （バリオン）

パイ中間子にも仲間がある。

K中間子，D中間子，B中間子，…

さらに基本的な粒子からできているのか？ 坂田昌一（複合粒子模型）

核子の仲間（バリオン）や中間子は，クォークという粒子からできている 第１世代 第２世代 第３世代 電荷

アップ

u

^チャーム

c

トップ

t

^陽子の2/3

ダウン

d

^{ストレンジ}

s

ボトム

b

^{陽子の－1/3}

核子の仲間（バリオン）は ３つのクォーク からできている。

陽子 ＝（

u u d

^{），中性子 ＝（}

u d d

^），

ラムダ粒子 ＝（

u d s

^），…

中間子は クォークと反クォーク からできている。

パイ中間子 ＝（

u d

^）など，

D中間子 ＝（

c d

^{）など，…}

静止エネルギー

u u

d

u

d

速度 エネルギー

O

｜電子の電荷｜

＝陽子の電荷

＝素電荷（e）

e の整数倍以外の 電荷は，直接観測 されていない。

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小林‐益川理論（1973年） 2008年ノーベル物理学賞

クォークがアップ，ダウン，ストレンジの３種類しか見つかって いなかったときに，３世代６種類以上のクォークが存在することを 予言した。（「CP対称性の破れ」という現象をうまく説明できる。）

CP 対称性…＜ある現象＞と＜それを鏡に映して粒子と反粒子を入れ替えた 現象＞が同じ確率で起こる。

クォーク同士を結び付けている力：強い力

距離が離れるほど力が強くなる （⇔電磁気力や重力は離れると弱くなる）

⇒ クォークを単独で取り出すことはできない（クォークの閉じ込め）

電子の仲間（レプトン）

電子の仲間には次の粒子があり，クォークと同等な基本粒子である。

第１世代 第２世代 第３世代 電荷

電子

e

^{ ミュー粒子}



^{ タウ粒子}



^{ 電子と同じ}

電子ニュートリノ



_e ^{ミューニュートリノ}



_ タウニュートリノ



_ ^ゼロ

４つの基本的な力

種 類 力を伝える粒子 作用するもの 特徴 電磁気 力 光子 電荷（電気） 長距離力

弱い 力 ウィークボソン （世代内の粒子変化） 短距離で作用する 強い 力 グルーオン 色荷（クォークの） 離れるほど強くなる

重 力 グラビトン（未発見） 質量（星などの） 長距離力，非常に弱い

ベータ崩壊：弱い力によって原子核の中で中性子が陽子に変わり（d^{クォークが} u^{クォークに変わり）}原子核からベータ線（電子）が飛び出す 中性子（udd）

→ 陽子（uud）

＋電子（e^‐）

＋反電子ニュートリノ（

e^）

弱い力：同じ世代内で粒子の種類を変える u

d

u

d s s u

d

u s

d s

時間経過

ダウン

ウィーク ボソン

電子

放出 吸収 アップ

反電子ニュートリノ

u



e

W

d

e

弱い力を 伝える粒子

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44 高エネルギーの果ては？

力の種類の統一

電磁気力と弱い力の統一（弱電統一理論1967年，ヒッグス機構） 高温・高エネルギー（宇宙の初期の状態）では一つの力。

もっと初期には，強い力も電磁気力＆弱い力と一つの力だった？（漸近的自由）

⇒大統一理論（未完成）

重力も統一できる？ 超統一理論？？？

もっと高いエネルギーで実験したい

加速器実験 （宇宙の初期にさかのぼる）

・LHC（ヨーロッパ）全長約27kmのリング（大同大学から金山の直径）

約５千億円（日本からは170億円）ヒッグス粒子（質量の起源），超対称性粒子，・・・

（発見2011年～2013年）

・TRISTAN（日本）870億円 ―改修→ KEKB 380億円 _CP対称性の破れ

・スーパーカミオカンデ100億円+25億円 → ハイパーカミオカンデ800億円

・国際リニアコライダー計画 日本に誘致？ 岩手県北上山地が有力候補？

（高額な研究費が必要な科学＝ビッグサイエンス）

素粒子物理学のまとめ

① 陽子・中性子はさらに基本的な粒子（クォーク）からできている。電 子はそれ以上分けられない基本的な粒子（レプトン）。

② 基本的な力には，４つの種類がある。（宇宙の初期には１種類だったかも？）

③ 素粒子の性質を調べたり，新しい粒子を発見したりするためには，より 高エネルギー（高速）で粒子をぶつける実験を行う必要がある。新しい 加速器には高額の建設費がかかる（ビッグサイエンス）。

次回「現代の物理４ 物性物理学」

☆次回授業の準備課題 ～あらかじめ準備しておき，次回指名されたら答える～

① 量子力学では「すべての波は粒子の性質も持つ」ことを学んだ。物質中で波が発生すれば，それに 伴う新しい“粒子”を考えることができる。物質中ではどんな波（振動）が発生す るだろうか（物質中には，原子，イオン，電子がある。自分で考えられる範囲で思いつくものは？）。

② 図形を半分に折ったとき，右と左が重なれば，左右対称という。このように，我々が存在する世界・

宇宙も，ある操作をしたとき，元の世界に重なる，様々の対称性を持っている。気 が付く対称性はありますか？

陽子 反陽子

高エネルギーのかたまり

⇒いろいろな粒子・反粒子ができる 高エネルギー

宇宙初期 現在

重力 強い力 弱い力 電磁気力 もともとは光子と同様に質量がゼロであった，弱い力を

伝えるウィークボソンが，質量を持つようになる仕組み