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
自然科学概論A（原科）
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
eW
d
e
弱い力を 伝える粒子
自然科学概論A（原科）
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，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）
総工費約５千億円（日本からは170億円）
質量の起源（ヒッグス粒子），超対称性粒子，・・・
・TRISTAN（日本）870億円 ―改修→ KEKB 380億円
CP対称性の破れ ・国際リニアコライダー計画 日本に誘致する？
（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つだったかも？）
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」
☆本日のミニレポート課題 （３００字以上，〆切までに提出）
① 現代の素粒子物理学について，本日の講義で新しく知ったこと，メディアなど で知った情報などを書き，感想・疑問・意見などを述べよ。
（本日紹介できなかった内容もいろいろある。）
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
