高エネルギー物理学２

現代の物質像

なぜ、まとまっているのか？

力の根源とは何か？

相互作用相互作用

反発力？

吸引力？

Exchange force （交換力）

力の到達範囲

2

2

2

Mcctcx

McEt

tE

McE

ParticleAdventure

反発力？

吸引力？

Exchange force （交換力）

力の到達範囲

2

2

2

Mcctcx

McEt

tE

McE

力の媒介をするもの：ゲージ粒子

自発的対称性の破れ

Higgs 機構、 Higgs 粒子

LHC の話

検索　“ Particle Adventure”

ここまでの話がこうなってます

Feynman diagram

素粒子が時空を移動する様を線で表現

素粒子の消滅と生成

e+

e-

+

-

素粒子同士が影響を及ぼす

交換力の表現法

e-

--

e-

原子核内部（核力）

陽子

中性子

弱い相互作用（ β 崩壊）

中性子陽子

ハドロンの反応

今日の目標：ファインマングラフをものにする

• 電子と陽電子が弾性散乱する。• 電子と陽電子が消滅する。• 電子と陽電子を衝突させて荷電 B 中間子の

ペアを作る（ B+= (u b)) 。• π ー中間子と陽子を衝突させて中性 π 中間

子と中性子ができる。• 太陽で核融合のための重水素ができる。

（陽子＋陽子ー＞重水素＋陽電子＋ニュートリノ

実は正解は一つじゃない。そこがおもしろい！

おすすめの入門書• 原 康夫・稲見武夫・青木健一郎 「素粒子物理学」 ( 朝倉書

店 , 2000 年 )

• 渡辺 靖志 「素粒子物理入門」 ( 培風館 , 2002 年 )

• 原 康夫 「素粒子物理学」 ( 裳華房 , 2003 年）

• 素粒子物理学の基礎〈 1-2 〉 ( 朝倉物理学体系 ) 長島 順清• 素粒子標準理論と実験的基礎 ( 朝倉物理学大系 ) 長島 順清• 高エネルギー物理学の発展 ( 朝倉物理学大系 ) 長島 順清• 高エネルギー物理学実験 真木晶弘　著 丸善　パリティ物

理学コース

Ｂファクトリーで何がわかるかフレーバー物理の最前線　

高エネルギー加速器研究機構　　　　　　　　　　　　　　　　

　　幅　淳二

アップu

ダウンd

クォーク

チャームc

ストレンジs

トップt

ボトムb

反クォーク

反トップt

反ボトムb

反チャームc

反ストレンジs

反アップu

反ダウンd

レプトン 反レプトン

ミューニュートリノ

ミュー

反ミューニュートリノ

反ミュー

タウ

タウニュートリノ

反タウ

反タウニュートリノ

電子e

電子ニュートリノ

e陽電子e+

反電子ニュートリノ

e

第三世代

第二世代

第一世代

反原子、反物質そして反宇宙

u du u du

電子陽電子

水素原子 反水素原子陽子 反陽子

反物質は、反陽子と反中性子で反物質は、反陽子と反中性子でできた「反原子核」の周りを陽できた「反原子核」の周りを陽電子が回る「反原子」から構成電子が回る「反原子」から構成

される。される。

実際に 2002 年ヨーロパの CERN 研究所では、反水素原子の合成に成功している。

天使と悪魔（ 2009 Sony pictures)

加速器で作られたとされる｛反物質」

こんな大量の反物質は現実にはありえません。

２００７年１１月１５日• 宇宙からの交信があった。

対称だったはずの物質と反物質、しかしこの宇宙には物質だけが残っているようにみえる

銀河系周辺を航行中銀河系周辺を航行中に君たち知的生命体に君たち知的生命体の存在を感知した。の存在を感知した。これからそちら（地これからそちら（地球）に立ち寄って親球）に立ち寄って親

善を深めたい。善を深めたい。

• 初めての「未知との遭遇」。歓迎準備で地球は大パニック！– 最初の乾杯はビール？– ワインより日本酒がお気に

召すかも！– 中華料理が無難かしら？– そもそも地球の大気で窒息

しない？　　　？？？？？？

ある物理学者がふとつぶやいた• ところでやつらは、

反宇宙から来た反宇宙人じゃないだろうな。つまり、体も宇宙船も反物質からできている。

反物質は、反陽子と反中性子でできた「反原子核」の周りを陽電子が回る「反原子」から構成される。

• だとしたら、地球の大気に触れたとたん、対消滅して大爆発だ。

• 大急ぎで確認するんだ。

反原子、反物質そして反宇宙

u du u du

電子

陽電子

水素原子 反水素原子

ところでどうやったら確認できる？

• 交信は電磁波（つまり光子）を使ってる。反宇宙が相手でも区別はつかない。

• 粒子と反粒子は相対的な概念だ。反宇宙では反粒子が「普通」の粒子。「あなた方は反宇宙ですか」と尋ねてても意味はない。

• 電荷もまた相対的な概念だ。原子を回る電子の電荷の＋／－を尋ねても意味がない。

「いい考えがある」「いい考えがある」素粒子物理学者が言った。素粒子物理学者が言った。「最近「最近ＢファクトリーＢファクトリーで発見さで発見された現象を利用すればよい。」れた現象を利用すればよい。」

CP 対称性研究のために粒子と反粒子をつくる

• 人工的に粒子と反粒子を作り出し、その性質の違いを探る。

• 違いが最も際立つと予想されるｂクオークのシステム（Ｂ中間子）にターゲットを絞る。

• 電子と陽電子（これまた粒子と反粒子）を加速、衝突させてＢ中間子のペアを大量生産する。（Ｂファクトリー）

電子陽電子衝突反応で素粒子のペアが製造可能

KEKB, PEP-I I、CESR

LEP

DANE

SPEAR,BEPC

TRISTAN

筑波山日光

KEKB Rings

Belle

Linac高エネ研（ KEK)

ＫＥＫとＫＥＫＢ加速器

　粒子と反粒子：その違いを B中間子に探してみると・・・・

・。

（－）

e‐ e+

B

B+

-

-

+

1150950

すべての粒子と反粒子は全く対等な関係

10万回に一度ほど

<観測された信号の強さ

　　　　　　　　　　　（事象数）に違いがある！つまり粒子と反粒子で性質が異なる。

(区別できる現象がある。 )

反宇宙人の見分け方を考えてみよう

• 中性Ｂ中間子を、正反それぞれ一億個ずつ用意する。– ご用命は、つくば・高エネルギー

加速器研究機構まで。ただし生産には現在のところ約一年かかります。

• どんどん崩壊しますがかまいません。なにせ寿命は１．５ピコ秒なので。

• Ｋ中間子と π 中間子に崩壊した事象を選んで下さい。 10万に一つですので見間違えのないようお願いします。

• Ｋ中間子の符号（プラスとマイナス）で分類。事象の多かったのはどちらでしたか。

• 多かったＫ中間子の符号を、原子中で軌道を回る粒子（われわれの世界なら電子）の符号と比較。

• 我々の世界では K 中間子はプラスが多くて電子の符号はマイナス。

• 宇宙人に彼らの結果を尋ねなさい。

• 反対符号ならＯＫ！彼らはわれわれ同様、物質世界の通常宇宙人だ。握手をしても消滅しない。親善を深めよ。

• だがもし、同符号なら・・・・

そもそも反宇宙はあるでしょうか？

• 気球による大気圏上空（３７ｋｍ）で探す反宇宙からの反物質ー

　　　　　　（ BESS ）実験

ヘリウム以上の反原子核は見つかってい

ない。

10-7

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

10-1 1 10 102

Rigidity (GV)

Ant

ihel

ium

/hel

ium

flux

ratio

He/He limit (95% C.L.)

Evenson (1972)

Evenson (1972)

Smoot et al. (1975)

Smoot et al. (1975)

Badhwar et al. (1978)

Aizu et al. (1961)

Buffington et al. (1981)

Golden et al. (1997)

Ormes et al. (1997) BESS-95

T. Saeki et al. (1998) BESS-93~95

J . Alcaraz et al. (1999) AMS01

BESS-1993~2000Preliminary

M. Sasaki (2000)BESS-93~98

反粒子粒子

宇宙の始まりはビッグバン・・・その直後、粒子と反粒子は正確に同じ数作られた。

ホンの少しの性質の違いから粒子の数がわずかに（１０億分の一）多くなった。

やがて宇宙全体の温度が下がっていき、「粒子」と「反粒子」は相手を見つけて次々消滅、現在の宇宙のエネルギー (光 )となった。わずかに残った「粒子」が、現在の宇宙の物質（星）や私たち生命となった。

この宇宙には反物質はほとんどなさそうだ。

• Bファクトリーによって粒子・反粒子の間にはほんのわずかな違いがあることがわかった。

• その違いのために大量の ( 中性な）エネルギーとほんのわずかの「粒子」 (物質 )が残った。

• そのわずかな物質のおかげで私たちは生まれた。

あなたの

存在には

理由がある

粒子・反粒子の非対称 CP 対称性の破れ

• 小林益川モデルの提唱（ 1973 ）–３世代６種類のクォークで定式化可能

小林誠 益川敏英

当時は３種類のクォークしか見つかっていなかった！大胆な予想

（その後すべてのクォークが発見された）

いつノーベル賞でもおかしくない！（昨年までのスライド）祝　ノーベル賞受賞（２００８）

クォークの崩壊（１９７３以前）

アップu

ダウンd

ストレンジs

n p + e + K + +

チャームc

J/ の発見(1974)

小林・益川の要請

CP非保存の説明新たなクオークの導入トップ

tボトムb

小林・益川行列（ KM matrix ）

b

s

d

VVV

VVV

VVV

b

s

d

tbtstd

cbcscd

ubusud

'

'

'小林益川クォーク混合行列

W+

2/3

1/3

V

クオークの弱い相互作用基本形クォークで描いてみようクォークで描いてみよう•ππ ＋＋中間子の崩壊中間子の崩壊•KK ＋＋中間子の崩壊中間子の崩壊•ＤＤ＋＋中間子のＫ中間子のＫ ππ 崩壊崩壊•ＢＢ００中間子のＫ中間子のＫ ππ 崩壊崩壊

B ファクトリーの２つの B 中間子系出来た瞬間は、フレーバーの固有状態

B0 中間子

ダウンd

反ボトムb

B0 中間子

ボトムb 反ダウン

dB0 中間子

ダウンd

反ボトムb

B0 中間子

ボトムb 反ダウン

d

B 中間子振動イメージb

d

t

tb

dB ０B ０？

W W

d

b

t

tb

d

B0d B0

d

Vtd

VtdVtb

Vtb

Xl

+

Xl

+

Y

l-

Y

l-

z

B ファクトリーの２つの B 中間子系出来た瞬間は、フレーバーの固有状態

B0 中間子

ダウンd

反ボトムb

片方がフレーバーの固有状態に壊れた瞬間、もう片方のフレーバーは定まっている。

これを、一つの B 中間子が「出来た瞬間」と再定義してやればよい。

B0B0 mixing 　 (di lepton)二つの lepton （電子・ミューオン）のある事象

A(Z) =(N 異符号 -N 同符号 )/(N 異符号+N 同符号 )

m = 　　 0.463±0.008±0.016 ps-

1

振動の速さが質量差と関係

（ニュートリノを思い出せ）

B+- not removed

２００７年 B ファクトリーの新たな発見

• D 中間子の混合現象

D D

小林益川行列とユニタリ三角形

(0,0) (0,1)

(, )

ユニタリ三角形

Vtd

Vtb

再び中性 B 中間子の πK 崩壊

直接的ＣＰの破れ

間接的ＣＰ対称性の破れ

b c

d

cB0

sd

J/KS

はじまりがＢ中間子？それとも反Ｂ中間子？

b

d c J/

KS

bcsddt

t

B0

現代の観測例

B1 B2

BB

電子（８ＧｅＶ） 陽電子（３．５ＧｅＶ）

10.58GeV/c2

(4S)

B 中間子とその反粒子がペアとなって発生する。短い寿命の間飛行した後ずっと軽いふつうの素粒子に分解 ( 崩壊）する。

ベストコンディション（１．７ X １０３４／ cm ２／秒）で毎秒１７ペアを量産１億個 ÷ １７ ÷６０ ÷６０ ÷ ２４＝６８日

２００６年夏の時点での実験結果

sin21= 0.642 ±0.031 (stat) ±0.017 (syst) A = 0.018 ±0.021 (stat) ±0.014 (syst)

B0 tag_B

0 tag

535 M BB pairs_

Belle preliminary BELLE-CONF-0647BELLE-CONF-0647

1

2

3

Vtd Vtb

Vcd Vcb

Vud Vub*

*

*

md

b d

b c l

b u l

ユニタリー三角形Ｂファクトリーで角度決定・・・・・高精度化更に進行中

1 = (21 1)º 2 = (93 )º3 = (60 )º

+119+3824

1 + 2 + 3

= (184 )º+2014

)3077(

)88(

)122(

3

652

1

)30187(321

ユニタリー三角形の測定（２００７）

http://ckmfitter.in2p3.fr/

Summary• Ｂファクトリーは素粒子のフレーバーの謎を

解き明かすユニークなマシンだ。• KEKB はルミノシティ性能で世界のトップを走り続けている。

• ユニタリー三角形は予想を上回るはやさで、確定されつつある。

• 今後数年で１０億個の B 中間子対を生産。–小林・益川理論の限界がみえるかも　　　　　　　　標準理論を越えた新物理（超対称性理論など）

• クオークもレプトンも３世代。何か深い理由があるに違いない。そのヒントが見つかるか。