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2121 世紀世紀 COECOE「物理学の普遍性と多様性の探求拠点」「物理学の普遍性と多様性の探求拠点」

市民講座市民講座

京都大学大学院理学研究科物理第二教室

西川公一郎

ニュートリノニュートリノ極微の粒子がなぜ面白い極微の粒子がなぜ面白い ??

素粒子の質量と混合

300 s/ccビックバンから

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•素粒子の質量の規則は分っていない　（与えられたもの）　特異なもの（特にニュートリノ）で調べる

•同じ属性を持ち、異なった質量を持つ複数存在する　宇宙を作るのに必要以上の粒子があるように見える　存在意義 ?

•同じ属性を持つものは混ざり合う　 多様な現象の原因 宇宙の現在の形を説明したい

質量質量質量　：　力を加えて物質を動かすとき、その動きにくさを表わす。

動きにくい時には質量が大きく、動きやすい時には質量が小さい。

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原子（現代科学のキーワード）原子（現代科学のキーワード）

原子

原子核

核子

1.原子は原子核と電子から成る• 原子核は陽子と中性子• 二種類のクォーク　

• u- クォーク、 d- クォーク　 宇宙の物質は u,d クォークと電子で出来ている

2 ．二種類の力• 原子と原子核の大きさ　　一万倍• 二種類の力

強い力（相互作用）　 1 万倍電磁力（相互作用）　の強さ

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物質を作る究極の粒子の種類物質を作る究極の粒子の種類• 陽子は　 uud 　 (2 個の u- クォークと 1 個の d-

クォーク）• 中性子は　 udd 　で出来ている

• 陽子の電荷を１とすると　 ( 中性子の電荷は 0 ）　– uud + uud = 2 = uuu udd =uuu+0

⇒ u の電荷は 2/3 d は -1/3• 原子は中性　⇒　電子の電荷は -1

• 高エネルギーで粒子を衝突させると重い粒子が生成– u, d, e と同じ電荷を持つものが自然界には存在する

電荷 2/3 u電荷 -1/3 d電荷 -1 e

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究極の物質の構成粒子：素粒子究極の物質の構成粒子：素粒子

• 電荷と分類　それぞれの電荷を持つものの中で質量が軽い順番に並べると

軽 中 重 電荷＝ 2 / 3 　 u c t

電荷＝ -1/3 d s b

電荷＝ -1 e

強い力を感じる（原子核は小さい）

20 世紀最大の発見の一つ　　放射線　　　 　ニュートリノの存在➱

存在意義は？

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ニュートリノニュートリノ• 3 種類の放射線 : • 　

E= Ei – Ef

• しかし （電子）は連続的な分布

• 電子と共に放出されるものがある– 検出できない

電荷＝ 0 　 e 　（電子ニュートリノ）　質量が小さい

この後ニュートリノには三種類あることが分かった　（ e,

電子のエネルギー

Ne

M

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究極の物質の構成粒子：素粒子究極の物質の構成粒子：素粒子

• 電荷と分類　それぞれの電荷を持つものの中で質量が軽い順番に並べると

軽 中 重1. 電荷＝ 2 / 3 　 u c t

2. 電荷＝ -1/3 d s b

3. 電荷＝ -1 e

0 e 質量は？

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素粒子間に働く力素粒子間に働く力

素粒子間に働く力も素粒子に因る

各クォークは三種類の「色」強い力はこの「色」に働く

レプトンには「色」が無い強い力を感じない

3 種の力を伝達

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電磁力•粒子を変えない

　　　（例　：　電子が散乱される）

33 つの基本的な力つの基本的な力

強い力•粒子を変えない、色が変化する（例　：　 u →u )

弱い力•粒子の種類を変化させる•電荷を変える

•（変えない反応もある）

光子（ γ）電荷

e e

グルーオン（ G ）色

u u

e e

W

A→A’

u d

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素粒子の分類素粒子の分類

弱い力によって素粒子間

の遷移が起こる

u c t

⇕ ⇕ ⇕d s b

e ⇕ ⇕ ⇕e

• 電荷で分類　それぞれの中で質量が軽い順番に並べると軽 中 重u c t 電荷＝ 2 /

3

d s b 電荷＝ -1/3

e 電荷＝ -1 １ 0

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弱い力による素粒子の遷移と質弱い力による素粒子の遷移と質量量

弱い力によって素粒子間

の遷移が起こる

u c t

⇕ ⇕ ⇕d ‘ s’ b’

e ⇕ ⇕ ⇕e

• 電荷で分類　それぞれの中で質量が軽い順番に並べると軽 中 重u c t 電荷＝ 2 /

3

d s b 電荷＝ -1/3

e 電荷＝ -11 0

二つの粒子の組は異なる（分類オーバーラップがある）

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e

弱い力での遷移による分類

m1

m2

m3

質量で分類

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特殊相対性理論（アインシュタイン、 1905 ） 100周年

)( ２２２２２ ＋運動量静止質量＝）＋（）（＝ pcmcE

特殊相対性理論特殊相対性理論

2mcE エネルギー（ E) と質量（ m ）等価である

運動していると

異なる質量 (m １ , 　 m ２）を持っている粒子は少しエネルギーが違う！

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e

弱い力での遷移による分類

m1

m2

m3

質量で分類

エネルギーは観測時間に反比例して不確定異なったエネルギー状態は、ある時間共存できる

ある質量の状態が、いろいろな反応をすることが出来る

粒子は波（波長程度の大きさで見たとき）である異なったエネルギーの状態が共存すると干渉が起こ

る

量子力学：不確定性原理　重ね合わせ原理量子力学：不確定性原理　重ね合わせ原理

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20%　 波長が違うとき

-3

-2

-1

0

1

2

3

-3

-2

-1

0

1

2

3

波の干渉波の干渉

波長の違いが小さいほど干渉の波長は長くなる

10% 　波長が違う波の干渉

20% 　波長が違う波の干渉

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ニュートリノ振動ニュートリノ振動

２２２

２２２

）＋（）（＝

）＋（）（＝

pccmE

pccmE

22

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ミューオンニュートリノが m1 m2 の二つの成分があるとすると

干渉　　小さな m1, m2 エネルギーの違いも小

干渉　長波長　長距離必要

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大気ニュートリノ大気ニュートリノ

　　

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予想値の半分

14,000km

地球の反対側から 1 万 km

100km

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ニュートリノビーム

スーパーカミオカンデ

250km

K2KK2K 実験（実験（ KEKKEK 　　 to to KamiokKamiokaa ））

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K2K CollaborationK2K Collaboration 　 University of Barcelona, Boston University, Chonnam National Universi

ty, 　 Dongshin University, University of Geneva, Hiroshima University, ICRR, Inst. for Nuclear Research Moscow, KEK, Kobe University, Korea University, Kyoto University, Massachusetts Institute of Technology, Niigata University, Okayama University, University of Rome "La Sapienza“, Saclay (DSM-DAPNIA), Seoul National University, SUNY at Stony Brook, Tokyo University of Science, Tohoku University, University of California Irvine, University of Hawaii, University of Tokyo, University of Washington, University of Valencia, Warsaw University

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Bird’s Eye Neutrino Beam LineBird’s Eye Neutrino Beam Line

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Fine Grained Detector

300m from target

SKへ

何も起こらないとしたときのスーパーカミオカンデのニュートリノを予測⇕測定と比較

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25

• 観測数 =108• 期待値 = 151

ニュートリノ事象の減少ニュートリノ事象の減少

波の干渉に相当

エネルギーエネルギー分布の変化分布の変化

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質量質量質量　

質量　

世代

ニュートリノ

?

1兆倍ニュートリノ質量は極端に小さい

他の素粒子と決定的に違う属性がある ? 　

将来の一方向

1012

1

106

10-6

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OR

•　ニュートリノ質量　　は零ではない

1 ： 1完全混合

60%

e 成分小

混合混合

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三つの波の干渉　三つの波の干渉　二つの干渉が同時に起こると二つの干渉が同時に起こると

1+ 2干渉 干渉

-6

-4

-2

0

2

4

6

1- 2干渉 干渉

-3

-2

-1

0

1

2

3

波１

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

波１２

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

1.1波

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

1干渉

-3

-2

-1

0

1

2

3

2干渉

-3

-2

-1

0

1

2

3

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•二つの干渉が同時に起こると•その組み合わせが粒子と反粒子で異なる可能性•粒子と反粒子で異なる振る舞いをする可能性

（粒子と反粒子が同じだけあれば、対消滅する）•⇔　最初エネルギーの塊であった宇宙から

現在の宇宙に物質が残っている

•二つの干渉が同時に起こるか ?•ニュートリノと反ニュートリノで異なる振動をするか ?

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T2K experimentT2K experiment 　　 -2009-2009

~1GeV beam(100 of K2K)

TokaiKamioka

12　countries~60　institutions　

~180　collaborators

K2K の 100 倍の精度

→e が ( m3, m1) (m2 , m1)を通して同時に起こるか？

反ニュートリノとの比較

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ニュートリノ物理学ニュートリノ物理学

エネルギー保存則の再検討鏡の世界クォークの実在世代の数素粒子の質量が 12桁にわたるバラエティー…….??????????

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