21 世紀 COE 「物理学の普遍性と多様性の探求拠点」市民講座

21世紀COE「物理学の普遍性と多様性の探求拠点」市民講座21世紀COE「物理学の普遍性と多様性の探求拠点」市民講座ニュートリノ極微の粒子がなぜ面白い? 素粒子の質量と混合京都大学大学院理学研究科物理第二教室西川公一郎 300 ns/cc ビックバンから

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。 • 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

原子原子核核子原子（現代科学のキーワード） • 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

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

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 / 3u c t • 電荷＝-1/3 d s b • 電荷＝-1e m t 強い力を感じる（原子核は小さい）存在意義は？ 20世紀最大の発見の一つ　　放射線　　a, b, g b 線の測定　　➱　ニュートリノの存在

ニュートリノ • 3種類の放射線: a, b, gの発見 • a, gは一定のエネルギーを持つ Ea, g= Ei – Ef • しかし b（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＝0ne（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　（ne, nm, nt) e N M n 電子のエネルギー

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 / 3u c t • 電荷＝-1/3 d s b • 電荷＝-1e m t 4．電荷＝0 ne nm nt 質量は？

素粒子間に働く力 3種の力を伝達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電磁力は電荷があれば感じるニュートリノは弱い力だけ感じる

e e 光子（γ）電荷 u u グルーオン（G）色 3つの基本的な力 • 電磁力 • 粒子を変えない • 　　　（例　：　電子が散乱される） • 強い力 • 粒子を変えない、色が変化する • （例　：　u →u) ne e • 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） u d W A→A’

素粒子の分類 • 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 m t 電荷＝-1 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 m t ⇕ ⇕ ⇕ nenm nt n１n2 n3 電荷＝0

弱い力による素粒子の遷移と質量 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 m t ⇕ ⇕ ⇕ nenm nt • 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 m t 電荷＝-1 n1 n2 n3 電荷＝0 二つの粒子の組は異なる（分類オーバーラップがある）

m1 m2 ne nm nt m3 弱い力での遷移による分類質量で分類

特殊相対性理論 特殊相対性理論（アインシュタイン、1905）100周年エネルギー（E)と質量（m）等価である運動していると異なる質量(m１,m２）を持っている粒子は少しエネルギーが違う！

m1 m2 ne nm nt m3 弱い力での遷移による分類質量で分類量子力学：不確定性原理　重ね合わせ原理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

波の干渉 10%　波長が違う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 20%　波長が違う波の干渉

ニュートリノ振動 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

大気ニュートリノ ２０ｋｍ１４０００ｋｍ

14,000km 100km 地球の反対側から1万km 予想値の半分

K2K実験（KEKto Kamioka） スーパーカミオカンデ 250km ニュートリノビーム KEK

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

Bird’s Eye Neutrino Beam Line

300m from target Fine Grained Detector SKへ nm 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

ニュートリノ事象の減少 エネルギー分布の変化 • 観測数=108 • 期待値= 151 波の干渉に相当

? 1012 質量 106 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 1兆倍質量　 1 ニュートリノ 10-6 世代

混合 1：1完全混合 ne成分小 OR • 　ニュートリノ質量 • 　　は零ではない 60%

三つの波の干渉　二つの干渉が同時に起こると三つの波の干渉　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 • 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?

T2K experiment-2009 ~1GeV nm beam (100 of K2K) Kamioka Tokai K2Kの100倍の精度 nm→ne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 12 countries ~60 institutions ~180 collaborators

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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