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磁石でおもしろ実験 - 信州大学 高エネルギー物理学研究室（HE研）
磁石でおもしろ実験 講座・職名：物性物理学講座・教授 略歴：’84 筑波大学自然学類卒，’89 筑波大学大学院 (物理学研究科) 修了，’89 筑波 大学技官 (準研究員)，’90 信州大学助手，’01 助教授，’06 10 月より現職 専門分野：磁性物理学 (実験) キーワード：磁性体，金属間化合物，遷移金属合金，希土類元素 ホームページ：http://homepage.mac.com/amako/ 連絡先：[email protected] 出前講座：磁石でおもしろ実験 水や銅板，液体酸素などと強力磁石との作用を観 あま こ 察したり，簡単なダンボールスピーカー，クリップモーター等を通して，磁 やすし 天 児 寧 石の持っている不思議な力を体験！ ！(対象者：小学生，中学生，高校生，一般) Yasushi AMAKO 現在の研究テーマ：磁性がからむ新機能材料 (合金) についての基礎研究 強磁性形状記憶材料 磁場印加により変位あるいは応力を発生する材料 (電磁気-機械エネルギー変換材料) で，微小アクチュ エータ，ナノ精度位置決め機構などのマイクロメカ トロニクスや超音波発生，応力トルクセンサなどの 機器に応用可能である。L21 という結晶構造を持つ (ホイスラー合金)，Ni-Mn-In 合金などが有力である。 磁気冷凍材料 フロンなどを用いない，環境に優しい冷凍法に用 いる磁性材料。(代替フロンについても二酸化炭素の 数千倍から数万倍もの温暖化作用があるといわれて いる。) 磁気冷凍は，コンプレッサが不要で動力が 少なくてすむため，エネルギー効率が高い (省エネ)。 他に，作業物質が固体であるので小型軽量化が可能 で低雑音，低振動という利点がある。 磁化の温度変化が大きいと，大きなエントロピー変 化が得られる。 ∫ ∆SM = 0 H ( ∂M ∂T ) dH H La(Fe,Si)13 Hx という物質が有力であるが，Fe(Si,Ge) など他に有効な物質がないか探索中である。 実験装置 磁化測定装置 核磁気共鳴装置 この他に，試料作成用電気炉 (高周波誘導炉，トリ アーク炉，マッフル炉)，電気抵抗測定装置，メスバ ウアー効果測定装置 (線源 : 119m Sn，57 Co)，冷凍機 (4K–室温) があり，これらを用いて新素材探求のた めの基礎研究を行っている。 Nd2 Fe14 B(ネオジム磁石の主成分) の結晶構造 超伝導磁石 X 線回折装置 Fe1−x Mnx Rh の 57 Fe メスバウアー効果スペクトル (室温) 超弦理論 –重力と量子論の統一を目指して– 講座・職名：素粒子・宇宙物理学講座・助教 略歴：’94 東京大学理学部物理学科卒業，’96 東京大学大学院理学系研究科修士課 程修了，’99 東京大学大学院理学系研究科博士課程修了 (理学博士)，’99∼’01 高エネルギー加速器研究機構 学振研究員，’01∼’04 シカゴ大学 研究員，’04 ∼’06 ブリティッシュコロンビア大学 研究員，’06∼現在 現職 専門分野：素粒子理論 キーワード：重力，量子論，ひも ホームページ：http://azusa.shinshu-u.ac.jp/~kazumi/ 連絡先：[email protected] おく やま かず み 奥 山 和 美 Kazumi OKUYAMA 現在の研究テーマ：超弦理論 一般相対性理論と量子力学 決った波長を持つ輝線スペクトルとして観測される 20 世紀の前半は理論物理学の大きな転換が起った ことを理論的に説明することができます。 時代です。特に，一般相対性理論と量子力学の発見 しかしながら，このように物理現象をうまく説明 はそれ以前の自然観を根底から変えてしまう程の大 できる一般相対論と量子力学を一緒に考えようとす 事件でした。一般相対論は星の運動や宇宙の発展な ると，とたんにうまくいかなくなります。どうして世 どの大きいスケールの物理現象を理論的に調べるの の中はこうもうまくいかない事ばかりなんでしょう! に用いられます。一方の量子力学は原子や分子など 実はうまくいかない理由はある程度わかっていま のごくごく微小なスケールの物理現象を考える際に す。これは質量を持つ物体の「大きさ」が一般相対 重要になってきます。 論と量子力学で反対の振舞いをすることに関係して アインシュタインの作った一般相対性理論による います。一般相対論によるとブラックホールの大き と，非常に大きな質量を持った星の周りでは，星の引 さは質量に比例します。一方，量子力学によると物 力によって光ですら外に出られなくなり，いわゆる 体は波のように振舞い，その波長はその物体の質量 ブラックホールができると考えられています。この に反比例します。つまり，物体の大きさの目安とな ようなブラックホールの存在は，はじめは理論的に る長さは，重力では質量に比例し，量子論では質量 導き出されたのですが，最近の天文学の発達によっ に反比例する，という具合に完全に反対になってい て観測的にも存在が確認されるようになってきまし て，これが重力と量子論を一緒に考えることが難し た。有名なところでは，我々の銀河系の中心には太 い原因なのです。 陽の 100 万倍もの質量があるような巨大なブラック 超弦理論とは？ ホールがあると信じられています。 では重力と量子論を一緒にするにはどうしたらい 一方，量子力学によると物体の運動は決った軌道 いのでしょうか。超弦理論を考えればいいのです! こ を持たず，いろいろな軌道を描く運動を足しあわせ れは物質の究極の構成要素は，粒子ではなくひも (弦 ることによって，観測できる最終状態の確率が計算 ともいう) であるという考えです。では，何故ひもを できると考えます。このような量子論の考え方にも 考えるといいかというと · · · 続きを知りたい人は信 とづいて，例えば水素原子から放出される光がある 州大学に入学して研究室に遊びに来てください。 さよなら，時空 私が大学に入学したばかりの頃，車椅子の理論物 しかし，私が大学院に入った頃は超弦理論の研究 理学者ホーキング博士がちょっとしたブームで，彼の で世界的に大きな発展があった時期で，今研究する 書いた本「ホーキング宇宙を語る」がベストセラー としたらこれしか無い，という雰囲気が溢れていた になっていました。その本の英語版「Brief History of ので，自然に私も超弦理論の研究へと向っていきま Time」をその頃本屋で見つけて，私も読んでみまし た。大学に入ったばかりで物理についてあまりよく 知らなっかたせいもあり，内容はほとんど理解でき ませんでしたが，重力と量子力学を一緒に考えるの は難しいというようなことが書いてあって，将来は そんなことを研究してみたいな，とぼんやり思った のを覚えています。その本のあるページに，トラン プのキングのカードの絵があって，それを 180 度回 転してもまた元の図柄に戻るという話が書いてあり ました。これがグラビトン (重力子) のスピンが 2 で あることを易しく説明するための図だったとわかっ たのはずいぶん後になってからでした。このホーキ ングの本には超弦理論のこともちょっと書いてあっ て，確かこんな感じの絵が載っていました (もしかす ると多少違っているかもしれません) した。しかし研究の内容としては，重力と量子論の 統一というよりは，むしろ超弦理論の様々な不思議 な性質を調べることが中心になっていました。 私は長らく海外で研究員として過した後，2006 年 に信州大学にやって来ましたが，最近は研究員時代 にはなかなか考える余裕が無かった問題，大学に入っ たばかりの頃に興味を持った重力を量子力学を一緒 にするという問題を考えています。だんだんはっき りしてきたのは，我々が普段何気無く受け入れてい る「時空」という考え方は最終的な理論では捨ててし まったほうがいいのではないかということです。時 空というのは時間と空間を合わせたもので，アイン シュタインの一般相対論の舞台となるところです。し かし，量子論を考えると時空というのは古典的な概 念で，量子論では存在しない可能性があります。で 粒子 ひも も，時間も空間も存在しないとしたらどうやって物 理現象を記述したらいいんでしょう？ ここで，量子力学が誕生したばかりの頃のボーア の言葉が参考になると思います。 「私たちは今，物理学の新しい領域にいますが，そ こでは古い概念は使えそうにないことがわかってい ます。しかしながら，何かを語るには言葉が必要で すが，その言葉は古い概念から，古い用語体系から 借りてくるしかありません。」 超弦理論は未完成の理論ですが，完成した暁には 左の絵は 2 個の粒子がやってきて合体して 1 個になっ て出ていくという図です。右の絵は輪っかになった 2 つのひもがやってきて合体して 1 つになるという 図です。ホーキングの本には右の絵のようなひもの 相互作用を考えると重力と量子論を一緒にする時に 出てくる問題がうまくいくかもしれないと書いてあ りました。この本を読んだ当時は， 「へー，そういう のもあるのか」と思ったくらいで，将来超弦理論を 研究したいとは特に思いませんでした。 時空という概念も新しい物理を語るための古い言葉 になっているかもしれません。 最後に，論語のなかの次の一節を紹介したいと思 います。 「子，武城に之きて，弦歌の声を聞く。夫子莞爾と して笑ひて曰く，鶏を割くに焉くんぞ牛刀を用ひん。」 超弦理論という牛刀を用いて，重力の量子論を理 解したいというのが私の夢です。 研究紹介 − 物理と対称性 − 講座・職名：素粒子・宇宙物理学講座・教授 略歴：’84 東京大学理学部物理学科卒業，’86 東京大学大学院理学系研究科修士課 程物理学専門課程修了，’89 東京大学大学院理学系研究科博士課程物理学専 門課程修了，’89∼’91 日本学術振興会特別研究員，’91∼’92 湯川記念財団奨 学研究員，’92∼’93 素粒子奨学会奨学生，’93∼’95 信州大学教養部講師，’95 ∼’97 信州大学理学部講師，’97∼’06 信州大学理学部助教授，’06∼現在 現職 専門分野：素粒子理論 キーワード：対称性，素粒子物理学，数理物理学 ホームページ：http://azusa.shinshu-u.ac.jp/~odake/ お だけ さとる 小 竹 悟 連絡先：[email protected] Satoru ODAKE 現在の研究テーマ：素粒子理論，数理物理学 私の専門は素粒子物理学・数理物理学です。タイ 特殊相対理論を作り出しました。これは時間と空間 トルに「対称性」という耳慣れない言葉が現れてい の概念を一変する革命的な理論でした。アインシュ ますが，その説明から始めましょう。対称性は現代 タインは更に，一般座標変換の下での対称性と等価 物理学の基礎的考え方の 1 つになっています。考え 原理を要請して一般相対性理論という重力の理論を ている対象 (系と言います) にある操作を施した時に， 構築しています。素粒子物理を記述する理論は，ゲ− その対象が変わらない場合 (不変と言います)，その ジ変換の下での対称性を要請して得られるゲ−ジ理 操作を対称操作と言い，この系には対称性があると 論というものです。この様に対称性は理論構築の際 言います。例えば，正三角形の板は中心の回りに 120 の指導原理として用いる事ができます。 度回転すると元と同じ状態に戻るので，120 度の回転 それ以上細かく分割できない粒子を素粒子と言い， 対称性があります。物理学という学問は，自然現象 素粒子及びその間に働く力 (粒子をやりとりする事 をよく観察し，その中に潜む法則を探り出して理論 で力が伝わるので力の事を相互作用と言います) を調 を作り，その理論を用いて自然現象を説明する，と べる学問が，素粒子物理学です。自然界の基本的な いう事を行うものです。様々な物理法則を調べてい 力は，電気や磁気の力である電磁相互作用，原子核 き，色々な対称性が見つけられました。高校生の皆 崩壊に関係する弱い相互作用，核力に関係する強い さんもエネルギ−保存則や運動量保存則を知ってい 相互作用，万有引力の重力相互作用の 4 つが知られ るでしょう。これらは時間の一様性と空間の一様性 ています。重力以外の 3 つの相互作用は，場の量子 という対称性に起因するものです。もう一つ角運動 論という枠組の上で，ゲ−ジ対称性を持つゲ−ジ理 量保存則というものがあるのですが，それは空間の 論で記述されます。電磁相互作用と弱い相互作用は 等方性という対称性に起因します。 統一されて電弱相互作用となり，その予言は実験と 「自然現象 → 物理法則 (＝理論)→ 対称性」という よく合っています。重力の古典論は一般相対性理論 流れを逆転して， 「ある対称性を持つ様に理論を作っ として完成しているのですが，その量子論は未だで てみよ」(そしてそれを自然現象に適用してみよ) と きあがっていません。重力の量子論の最有力候補は， いう試みが行われる様になりました。皆さんはアイ 素粒子を点粒子ではなくて 1 次元的に拡がったひも ンシュタインの相対性理論という名前を聞いた事が と見なす弦理論です。超対称性という対称性を持つ あるでしょう。アインシュタインは，ロ−レンツ変換 超弦理論は，重力の量子論を含み，物質を形作る素 の下での対称性と光速度不変の原理を要請する事で 粒子と力を媒介する素粒子を全て統一する，究極 の統一理論 (の最有力候補) です。1 次元的に拡がっ たひもだけではなくて，空間 p 次元に拡がった Dp ΦN A(u) ΦN ブレインというものも同様に重要である事が分かっ ?u ??u ? • an−1 n - • a?u ??u ? - ています。 点粒子が動くと線 (世界線と言います) ができるの と同様に，ひもが動くと面 (世界面と言います) がで きます。弦理論をこの世界面上の場の理論と見なす D(u) ··· ?u ??u ? • a1 O • a0 ?u ??u ? - と，共形場理論になっています。共形場理論とは，共 形変換 (長さを変えるかも知れないが角度を変えない ··· B(u) 変換です) の下での対称性を持つ場の量子論です。2 ΦS 次元時空での共形場理論の対称性は，ビラソロ代数 C(u) ΦS の様に図の正方形 1 つ 1 つにヤン・バクスター方程 という無限次元代数で表され，その表現論は詳しく 式を満たすボルツマン重みが与えられている統計模 調べられています。対称性の議論の利点の 1 つは，対 型ですが，角転送行列 (A, B, C, D) とタイプ I の頂点 称性を表す群や代数の表現論を用いる事により，系 の詳細に依らない普遍的な性質を議論できる点で， 演算子 (ΦN , ΦS ) を自由場を用いて表示して，フォッ 対称性が大きいと強い議論ができる事になります。 ク空間上のトレースを取る事により相関関数を計算 私は物理を対称性の観点から理解したいと思い，ビ する事ができます。 ラソロ代数などの対称性を表す無限次元代数の研究 高校生の皆さんへのメッセージ や様々な可解模型などの研究を中心に行って来まし 私が素粒子物理学というものに初めて関心を持っ た。自然現象に直接関わると言うよりも，物理学の たのは中学生の頃で，科学雑誌などを見て特殊相対 理論においてその数学的側面に力点を置いた研究で 性理論の不思議な世界やクォ−クなどの素粒子の極 あり，数理物理学と呼ばれます。様々な数学が必要 となるので研究の詳細には立ち入れませんが，私が 微の世界に憧れを感じました。高校生になると物理 好んで用いる手法を 1 つ紹介しておきます。それは 学の授業があり，自然現象が物理法則に従って起こ 自由場表示というもので，複雑な対象を性質のよく る事や数式を用いてそれを調べる事ができる事に興 分かったもの (自由場) を用いて表示する方法です。 味を覚え，自然科学の基礎となる物理学を，中でも 例えば，ビラソロ代数の縮退表現の埋め込みパター 最小単位の物体を扱う素粒子物理学を専攻したいと ンは @ s0• @ R @ • s01 @ - •2 @ @ R @ -• s s s s1 • @ - •3 @ @ R @ -• @ R @ -• @ 思い，大学に進学しました。皆さんにも是非何か興味 @ R @ - を持てる話題を見つけてもらいたいと思います。小 ······ さな話題でも大きな話題でも構いませんから何か見 s04 s03 s02 @ - •4 @ つけたら，それについて自ら進んで学んでみて下さ で与えられますが，自由場表示では単純な構造の自 い。高校までの学校の勉強では，やる範囲はここまで 由場のフォック空間から， という枠がはめられていたかも知れませんが，学問 v0 v0 v0 - u1 ··· 6 w0 6I @ @ ? -v−1 v1 .. . - u1 6 w0 6I @ @ ? -v−1 v1 I @ 6 ?@ - u2 w1 .. . I @ ?@ - u1 w0 - というものは自由なのです。興味を持った話題があ v0 6I @ I @ @ ? ?@ -v−1 v 1 - u1 w0 I @ 6 ?@ - u2 w1 6I @ @ ? -v−2 v2 .. . 6I @ @ ? -v−1 v1 I @ 6 ?@ - u2 w1 .. . ればどこまでも進んで行って良いのです。高校でも そうでしょうが大学に入学して先ず学ぶ学問は華々 v0 I @ ?@ - u1 w0 6I @ @ ? -v−1 v1 - .. . の様な複体を考え，コホモコジーという手法を用い て，求めたいビラソロ代数の既約表現空間を取り出 します。また，2 次元空間での可解格子模型は， しい話題ではなくて基礎体力作りとでも言う様な地 ··· 味なものが多いです。しかし，この基礎体力を身に 付けて初めて華々しい話題を理解できる様になるの で，大学に入学した暁には憧れの気持ちを持ち続け て勉学に打ち込んで行ってもらいたいものです。 宇宙線で予報する宇宙の天気 専門分野・職名：宇宙線物理学・准教授 プロフィール：'92 埼玉大学大学院理工学研究科博士課程修了, '92～'93 理化学研究所奨励研究生, '93～’06 信州大学理学部・助手, ’06～ 現職 趣味：山の散歩、他 研究テーマ：宇宙線観測実験，宇宙線の加速・伝搬に関する数値実験，他 連絡先：[email protected] 研究室ホームページ：http://cosray.shinshu-u.ac.jp/crest 加藤 千尋 （かとう ちひろ） Chihiro KATO 研究テーマ：宇宙線の観測実験 １． 宇宙線観測実験 の連続観測から磁気嵐が起きた時にその予兆 キーワード:宇宙線、太陽風、惑星間空間磁場 となる現象がありそうなことを突き止めました。 太陽の活動は地球に様々な影響を与えてい 現在はさらに研究を進めるために日本、オース ます。例えば、フレアーやＣＭＥ(Coronal Mass トラリア、ブラジルそしてクウェートに観測所を Ejection)と呼ばれる太陽表面での爆発現象は 設置し、ほぼ全天を同時観測しています。 惑星間空間に衝撃波を生み、この衝撃波が地 この観測ネットワーク（次頁）による観測デー 球にぶつかると タの解析から、惑星間空間衝撃波の地球到来 地球の磁気圏を 前後に、宇宙線強度が激しく変動している様子 攪乱して地磁気 が判り、また、そうした変動の擾乱到来後の部 嵐を引き起こしま 分が惑星間空間磁場の構造と密接に関連して す。大規模な磁 いることを明らかにすることができました。 気嵐は変電所や 写真：JAXA 電子機器に影響 を与える可能性があります。極域で観測される オーロラは、磁気嵐に伴って磁気圏内に入り 込んだ荷電粒子（電子）が大気中の原子と相 互作用して発光したものです。 現在、こうした大規模な磁気嵐を引き起こす 衝撃波の到来を予報する試み（宇宙天気予報） が行われています。研究室では、宇宙線を使 って予報の可能性を探っています。宇宙線と 宇宙から見たオーロラ（Image courtesy of the は、銀河系のどこか、または銀河系外で生成・ Image Science & Analysis Laboratory, NASA 加速された高エネルギーの荷電粒子（主に陽 Johnson Space Center.） 子）のことです。これまでに、宇宙線強度変動 研究テーマ：宇宙線の数値実験 宇宙線（ミューオン）の観測ネットワーク 名古屋 クウェート サンマルティーニョ キングストン ２．宇宙線の伝搬 太陽から噴き出しているプラズマの風は太陽 風と呼ばれ、太陽から磁力線を引き出して100 ＡＵ（太陽と地球の間の距離を１とした長さの単 位）程度まで吹いていると考えられています。こ の太陽風の勢力範囲を太陽圏と呼んでいます。 宇宙線は荷電粒子ですから、磁場中をまっす ぐ進むことができません。したがって、太陽圏 内の宇宙線の輸送は拡散と（太陽風による）対 流の効果で表わされることになります。これを式 で書くと、動径方向のみの1次元で考えた場合 ∂ ∂ 1 ∂ ∂ ∂ ∂ 1 ∂ ∂ 確率微分方程式では、終状態から始めて時間 を遡るような計算が可能なのです。この理屈を 使うと、地球で観測された宇宙線のデータから、 太陽圏に侵入した時の宇宙線の性質（エネル ギーや位置など）を推定できることになります。 ∂ ∂ ∂ 3∂ となります（細かいパラメータは気にしないで）。 この式を解いて太陽活動と宇宙線強度変動と の関係を調べようとしているのですが、この方 程式は解析的には解けません。ただし、数値 的に解く方法はいくつかあり、その中で、確率 微分方程式を使った解法を応用しています。 この方法は、拡散現象を確率的に扱うことが できる利点があるのですが、もう一つ、面白い 性質があります。通常、微分方程式は初期条 件（始状態）を与えてその時間経過（最後の状 態を終状態と言います）を計算してゆきますが、 上図は地球近傍での宇宙線のエネルギー 分布から太陽圏の境界でどのようなエネルギ ー分布になっているかを推定したものです。赤 線（終状態）が地球近傍、青線（始状態）が太 陽圏境界での分布を表しています。この図から、 地球近傍まで侵入してくる宇宙線は、ある大き さ以上のエネルギーをもっていなければならな いことが推察されるのです。もちろん、この計算 は非常に単純化したモデルでの計算ですから、 これからの議論にはもっと複雑なモデルが必要 になります。 未知なる法則・理論を求めて旅しています！ 講座・職名：素粒子・宇宙物理学講座・教授 略歴：’85 名古屋大学理学部物理学科卒業，’87 金沢大学大学院理研究科修士課程修 了，’90 金沢大学大学院自然科学研究科博士課程修了，学術博士，’90∼’99 信 州大学理学部物理学科助手，’99∼’06 信州大学理学部物理科学科助教授，’06 ∼現在 現職 専門分野：素粒子の標準模型を超える物理の探究，超対称性大統一理論，余剰次元 に関する物理，超弦理論 キーワード：超対称性，力の大統一，余剰次元，超弦理論 ホームページ：http://azusa.shinshu-u.ac.jp/~haru/ かわ むら よしはる 川 村 嘉春 Yoshiharu KAWAMURA 連絡先：[email protected] 趣味：テニス，旅行 現在の研究テーマ：余剰次元と超弦理論に関する物理 1. 現実的な大統一理論の構築 一言で答えるならば， 「そこに山（解決できない難 大統一理論とは，重力を除く３つの力（強い力，弱 問）があるから」です。つまり，我々が認識してい い力，電磁気力）を統一的に記述する理論で，未完 る３次元空間と時間の世界をもとにした理論では理 成です。ここで，強い力とは陽子や中性子などを構 解できない問題がいくつもあり，枠組みの拡張が有 成しそれらを束縛する力，弱い力とは原子核などを 効ではないかと推測されます。また，余剰次元の導 崩壊させる力です。 入により，異なる法則の間に関連性が生じ物理法則 自然界は根本的に単純であってほしいという願望 の整理整頓が実行されると期待しています。さらに， もありますが，力の大統一により無関係に見える様々 究極の理論の有力候補である超弦理論の定式化には な現象や性質を統一的に理解することが可能になり 余剰次元が必然的に導入されます。ここで，超弦理 ます。よって，大統一理論は素粒子の標準模型を超 論とは超対称性を有する弦（１次元的に拡がりを持 える物理として有望視されています。ただし，問題 つ基本的な物体）に関する理論です。 点がいくつかあります。例えば，一般に陽子崩壊を Q．なぜ，確認されていないのか？ 予言します。しかし，現在までに確認されていませ 余剰な空間のサイズが小さすぎるからとか，余剰 ん。また，標準模型を導出するためにパラメータの 次元方向には移動できないからといったもっともら 値の間にきわどい微調整が要求されます。これは不 しい説が提案されていますが，真相は未だに不明で 自然です。 す。我々の時空は，高次元時空中に埋め込まれた膜 現実的な理論を構成するために必要な物理的概念 のような世界であるとするブレイン世界のシナリオ の一つとして，超対称性が注目されています。超対 が盛んに研究されています。その一例として，次の 称性とは，ボソンと呼ばれる粒子とフェルミオンと ページの図 1 の中の片方の M 4 が我々の 4 次元時空 呼ばれる粒子を入れ替える変換のもとでの対称性で を表しているような模型が考えられます。余剰次元 す。超対称性は未だ実証されていませんが，魅力的 の存在を明らかにするために「どのようにすれば検 です。 証できるのか？」を探る必要があります。余剰次元 2. 余剰次元に関する物理の探究 (S 1 /Z2 など) 導入して，現実的な大統一理論を構築 Q．なぜ，余剰次元なのか？ するという試みを現在行っています。 私の夢：物理学の醍醐味を知ってほしい！究極の物理法則が知りたい！ 未知の法則の探求 究極の物理法則（この世の中を基本的なレベルで 支配している法則）が存在するに違いないと信じて， それを追い求めています。なぜ，その存在を信じて アインシュタイン方程式：重力場が従う方程式で時間や空間を力 いるのかというと，前例がいくつもあるからです。例 学的な対象とする一般相対性理論の基礎方程式 えば，電磁現象で登場する「クーロンの法則」 「レン ツの法則」 「電磁誘導の法則」などが，統一的に理解 できることを大学で学びます。それに，感動する人 もいるはずです。法則がより基本的な法則や原理に より束ねられるのを知るのは物理学の醍醐味の一つ だと思います。Why don’t you join us? 方程式の美しさ 「方程式の美しさとは？」に対する漠然とした回答 として，方程式や理論が有する対称性と関係がある と思います。ここで，対称性とはある変換に対して， 系が不変に保たれる性質のことです。対称性が高い ほど，美しいと感じますよね。物理学において対称 性の果たす役割は重要で，系の特徴（保存量，相互 作用の形，粒子の分類）を把握するのに有効です。ま マックスウェル方程式：電磁場が従う方程式で電気現象と磁気現 象を統一的に記述する電磁気学の基礎方程式 た，未知の理論を構築する際に指導原理になること があります。様々な物理的な概念とそこから導かれ る性質・特徴を通して自然の摂理に触れるのも物理 基本的な概念の把握 学の醍醐味の一つではないでしょうか。Why don’t 実は基本的な概念の多くは，よくわかっていませ you join us? ん。例えば， 「質量の起源は何か？」 「時間とは何か？」 意識をタイムスリップ 「空間とは何か？」 「基本的な粒子・構成要素は何か？」 大学に入った頃，これらの基礎方程式の意味を早 「電荷とは何か？」「なぜ電子が存在するのか？」な く知りたい。その美しさを早く理解したいと思った どなど，えっこんなこともわかっていないの？と思 ものです。現在，これらの方程式を統一するより基 われるかもしれませんが，本当なのです。 本的な法則およびより基本的な方程式を発見したい 基本的な粒子・構成要素が従う方程式はきっと美し と思っています。きっと，最高に美しいに違いない いはずです。待てよ。 「方程式の美しさとは？」この と信じて！その旅の途中で（ガリレオ先生のような 問いは後回しにして，方程式の美しさを理解し，感動 明晰な頭脳は持ち合わせていないけれども），しば するのも物理学の醍醐味の一つだと思います。Why しばつぶやいています。 「サッパリわからないが，実 don’t you join us? に興味深い！」 ディラック方程式：電子が従う方程式で特殊相対性理論と量子論 を融合した相対論的量子力学の基礎方程式 身の回りは謎だらけ エネルギーに換算して宇宙全体の 96 パーセント は正体が不明です。そのうち，74 パーセントはダー クエネルギーと呼ばれている未知のエネルギーで 22 パーセントはダークマターと呼ばれている未知の物 質です。宇宙の始まりも謎です。やはり，宇宙は神 秘的ですね。 図1 相転移の解明に向けて 講座・職名：物性物理学講座・准教授 略歴：’92 静岡大学理学部物理学科卒業，’94 信州大学大学院理学研究科修士課程修 了，’97 大阪大学大学院基礎工学研究科後期課程修了，’97∼’99 金沢大学教 務補佐員，’99∼’06 信州大学理学部助手，’06∼現在 現職 専門分野：物性理論 キーワード：物性物理学，原子や電子の運動を記述する力学法則，統計力学，熱力 学，計算機，微分方程式を数値的に解く，自由エネルギー，エントロピー ホームページ：http://www-bussei.shinshu-u.ac.jp http://www-br.shinshu-u.ac.jp/ShimizuLab/ し みず ひさし 志 水 久 連絡先：[email protected] Hisashi SHIMIZU 現在の研究テーマ：計算機シミュレーションによる相転移の解明 私たちの身のまわりにある様々な物は，約 100 種類 質が突然変化します。そのため相転移を理論的に扱 ほどある原子の集まりから出来ています。実際には うためには，アボガドロ数程度の原子や電子の運動 その全部が使われているわけではありませんが，物 を考慮する必要がありますが，そのようなことは現 の多様性は，どんな原子から出来ているか，またそ 実的には不可能なので，計算機の助けを借りること れら原子の成分比から生じていると考えられていま になります。具体的には，原子や電子の運動を記述 す。このことは実験的には明らかなことですが，物 する微分方程式を数値的に解くことになります。ま 性物理学とは，物の多様性の起源を，原子や電子の 運動を記述する力学法則や，多数の原子が集まるこ とで現れる性質を記述する統計力学や熱力学を用い ることで解明することを目的としています。 相転移 とは，例えば水を冷凍庫に入れておくと氷 になったり，水を温めるとやがて沸騰して水蒸気に た，計算機を使ってもアボガドロ数は非常に大きな 数なので，現実には 103 個 ∼ 106 個くらいの原子し か扱えませんが，物の性質に関する多くの計算結果 は実験結果とよく一致しています。例えば水を 1 気 圧，10 ◦C の状況においておくと液体の水でいます なるように，同じ物質であっても，その物のおかれた が，1 気圧，0 ◦C 以下の状況では固体の氷になりま 環境 (例の場合は温度と圧力) に応じて物の様態が変 す。このことは温度が変わることで液体と固体の自 わる現象を指します。このような現象は物を構成す 由エネルギーの大小関係が入れ替わることで生じる る原子が少数個のときには起きることはなく，アボ と解釈されていますが，理論的にこのことを確かめ ガドロ数程度の非常に多くの原子から構成されると るために水のエントロピーを計算機を用いて求める きに起こる現象で，転移に際して物全体の様々な性 研究を行っています。 物質には一般に気相，液相，固相の 3 つの相があ られていません。この処方箋を与えるものとして統 ります。温度と圧力を外から設定すると，一番自由 計力学があります。統計力学では物質を構成する原 エネルギーが低くなる相が出現し，そのとき物質の 子や電子の運動を記述する力学法則 (古典力学や量 密度が決まります。“決まる” というのは，ある一定 子力学) に基づいて物質の持つ熱力学的なエネルギー 値になることで，時間的に変化しないことです。こ を導きます。このエネルギーの中には力学的なエネ のように温度や圧力，密度のような量 (物理量) が時 ルギーだけでなく，エントロピーと呼ばれる量が含 間的に変化しない状態のことを熱平衡状態と言いま まれ，この量は熱平衡状態の決定に重要な役割を果 す。物質が熱平衡状態にあるとき，温度 T ，圧力 p， 密度 ρ の間には物質固有の関係式が成り立ち，この 式を状態方程式と呼びます。 たします。エントロピーは俗に “乱雑さの度合い” と説明されていますが， 『サイコロを 10 個振ったと きに，出た目の和が 30 になる場合の数』と言うと， もう少し統計力学におけるエントロピーの意味に近 くなります。(サイコロ) ⇒ (原子)，(10 個) ⇒ (アボ ガドロ数)，(サイコロの出る目が 1 ∼ 6) ⇒ (原子が とりうる状態)，(出た目の和) ⇒ (物質の力学的エネ ルギー) と読み替えると場合の数が物質のエントロ ピーに対応します。一見単純に聞こえるかもしれま せんが，アボガドロ数個程度の原子全てのとりうる 状態を考えることは不可能であるため，限られたモ デルでしかエントロピーを解析的に導くことはでき ません。計算機シミュレーションは第 3 の研究手段 上の図は状態方程式を p = f (T, ρ) のように圧力を 温度と密度の関数として解いた結果の一例で，相図 と呼ばれています。色のついた曲面上の線は圧力が 等しい状態をつないだ線です。矢印で示した青い線 に着目します。温度が高いとき (T ∼ 2) は密度が小 さく，温度の降下に伴い密度は少しずつ増加してい きます。この線はあるところで途切れてしまいます と呼ばれ，実験と比較して，装置 (シミュレーション 手法) が未熟であったり，現実との対応に疑問が残 る部分もありますが，実験では得られない情報を得 ることが出来ます。その中に “原子がとりうる状態” も含まれ，得られた結果を適切に用いることでエン トロピーを求めることが出来ると期待出来ます。エ が，反対側に青い線があります。これは温度と圧力 ントロピーを足がかりとすることで，様々な物質の が同じでも密度がまったく異なる 2 つの状態がある 相図を描くことも出来ますが，エントロピーが物質 ことを意味し，水の気相と液相の密度が 0 ◦C，1 気 を構成する原子や電子の力学的な状態から導かれる 圧で不連続に変化する現象と似ていることが分かり ということは，物質の力学的構造から物質の相や相 ます。熱力学では物質の状態方程式にこのような特 転移について何らかの情報を引き出すことが出きる 徴が現れるとき相転移があると解釈することができ かもしれません。そんな日がやってくることを夢見 ますが，熱力学では状態方程式を求める処方が与え つつ研究に耽っております。 加速器実験はタイムマシンだ 講座・職名：素粒子・宇宙物理学講座・教授 略歴：’54 広島県生まれ，’77 広島大理学部物理学科卒業，’79 広島大学大学院修 士，’82 同大学院博士，’82 東京大理学部素粒子国際協力センター助手，’91 信州大学教養部助教授，’95 信州大学理学部助教授，’04 信州大学理学部教授 専門分野：素粒子物理学実験 (高エネルギー物理学ともいう) キーワード：加速器実験，測定器，素粒子物理 ホームページ：http://atlas.shinshu-u.ac.jp/ たけ した とおる 竹 下 徹 Tohru TAKESHITA 現在の研究テーマ：宇宙開闢のなぞを加速器で解き明かす 夢：宇宙開闢のなぞを加速器で解き明かす の誕生以来，宇宙の初期へ初期さかのぼるべくエネ そのために次の３つの方策でぶちあたります。これ ルギーを増強してきました。つまり，どんどん宇宙 が研究です。 の過去へさかのぼっている訳です。これを「加速器 （1）陽子陽子衝突型加速器を用いた新粒子の探索 （2）電子陽電子衝突型加速器を用いた素粒子理論の 精密検証 （3）新測定器技術の開発 は，タイムマシンだ」と思っています。加速器はこ の 50 年間にエネルギーを 10 の 9 乗倍に増やしまし たが，このタイムマシンは宇宙始まり 100 秒後から 10 のマイナス 11 秒後ぐらいまでさかのぼりました。 そこで実際何が行われているかが次の 3 つです。 その理由 (1) 陽子陽子衝突型加速器を用いた新粒子の探索で 宇宙開闢は宇宙物理学のテーマと思うかもしれま は，よりエネルギーの高い宇宙初期へ向かうために せんが，宇宙が始まって短い時間 (<100 秒) は，世界 は発見が最大の原動力となります。素粒子分野の発 を支配する力や構成要素は，現在我々が研究してい 見は「新粒子」つまり，だれもみた事のない粒子の る素粒子物理学の対象そのものであった事が分かっ 発見は，この 50 年間ずっと陽子型加速器で実現され てきました。素粒子物理学は，最も基本構成要素と てきました。今年度完成予定の世界最大最高エネル その間に働く力を研究する学問分野ですが，これら ギーの陽子加速器実験に携わり，いままさに新粒子 が宇宙の始まりの時期に大きな役割を果たしていた の発見前夜にいると思っています。この加速器は円 事が明らかになってきました。宇宙の始まりは今や 周 27km もあります。ここでおそらく見つかる粒子 素粒子物理学の研究対象なのである。宇宙開闢は big (もう予言されて長い間探索を続けてきたので， 「新 bang(ビッグバン) という大爆発から始まったと考え 粒子」と呼ぶには古ぼけていますが) は Higgs 粒子で られており，このときの温度は 10 の 34 乗度という す。この粒子は，宇宙の真空を満たし (そう，真空は 途方もない温度だったのです。こんな高温は言い換 何もない空虚な空間ではなく，Higgs 粒子がいっぱ えると高エネルギー状態は加速器による衝突によっ い詰まっていると素粒子物理学は考えています)，素 てのみ人工的に作り出すことができる世界です。つ 粒子に質量を与える役目を果たしています。もし複 まり言ってみれば宇宙初期の状態を加速器によって 数の Higgs 粒子が見つかったら，もう新しい理論の 人工的に作り出しその様子を調べている事になりま 入り口を通ってしまいます。つまり新時代突入です。 す。この高エネルギー物理学は 50 年ほど前に加速器 そんなエキサイティングな時期にいます。 (2) 興奮できる「新粒子」発見も楽しいのですが，学 問なので地道に理論との整合性を検証し細かな測定 を繰り返すことが，さらに宇宙をさかのぼるために は必要です。これを可能にするのが線形電子陽電子 衝突型加速器です。この加速器は全長 30km の直線 です。そこには精緻な衝突の結果を測定する装置が 置かれます。いまはこの装置の研究を行っています。 これは (3) に続きます。 (3) 新測定器技術の開発は，ガリレオが望遠鏡とい う道具により，新しい概念 (地球は太陽の回りを回っ ている) を見つけたように，あるいは小柴さんが光 電子増倍管で超新星爆発のニュートリノを見つけた ように，高精度な測定装置という道具は，新しい概 念や発見を生むきっかけを作ります。加速器もその 道具の一つですが，衝突現象の仔細な研究を行うた めの測定装置も必要な道具です。素粒子実験では加 速器と測定装置は毎回自分で全部作ります。だれも 売ってません。その装置の中に新しいアイデアを込 め，測定を進化させる事が，既に述べた最大目標で ある宇宙開闢の謎に迫ることに直結します。だから 道具を磨いています。 最近の研究成果として MPPC を話します。光セン サーとしては光電子増倍管が有名ですが，半導体で 超小型の素子を開発しました。こんな事も物理の研 究の範疇です。なぜなら道具は自分で作るしかない からです。今回のようにたまに他の分野で役立ちそ う一般的な道具ができる事があります。この素子は， 通常電子の増倍率の小さな半導体素子を小さくして， そこで大きな倍率を稼ぎだしました。これを複数個， 私たちのものは 40 × 40 = 1600 個並べて大きさを稼 ぎます。写真を載せます。1mm 平方が 1600 個の区 画に分かれています。このサイズは光ファイバーを くっつけるのに最適な大きさで，どんな光もファイ バー経由でくれば電気信号に変えてみせます。プラ スチックの枠を入れても 3mm×4mm の小ささで，す ぐになくなっていまいそうです。これが光電子増倍 管と同程度の増幅率をもち，光量が小さくてもちゃ んと信号が見える優れものです。これで医療機器で ある高性能 PET を作りたいと思っています。 今最も私が面白がっている次世代加速器での測定 装置の絵を下に載せます。 この中には私たちが開発した新型光半導体を一千万 個入れたいと思っています。新しい道具を作って使っ て，宇宙をもう一歩さかのぼります。 一人の人間のできることは大きくありません。素 粒子物理学ではこれをグループで人の英知と人力と お金を集めて達成しようとしています。なぜなら宇 宙の始めを知りたいという気持ちはみんな同じで， ここに共感して集まってきているからです。一人の できる事は大きくはないので，役割分担で小さな事 をなしつつ全体として大きな結果の達成できる。こ のとき，個人は小さな自分の位置づけや方向を理解 しつつ，全体の大まかな動きを感知しておく事がだ いじです。 高校生ヘのメッセージ 自分の力，可能性，好きな事をしっかり見つめて ください。その上で今大事な事を今しっかりやって ください。やめて次に何かするときも，また自分を 見つめ，方向を判断し，進んでください。何やら人に 言われて流れてゆくのは，人生の無駄使いです。人 に感化されてもいいですが，最後に判断し進むのは， あなたです。 物質によって光をあやつる 講座・職名：物性物理学講座・教授 略歴：’73 信州大学理学部卒業，’75 新潟大学大学院理学研究科修士課程修了，’78 名古屋大学大学院工学研究科博士課程修了，名古屋大学工学部助手，’85 信 州大学教養部助教授，’95 信州大学理学部助教授，’97 信州大学理学部教授 現在に至る 専門分野：フォトニック・クリスタルとフラクタル，テラヘルツ分光 キーワード：フォトニック結晶，フラクタル，テラヘルツ電磁波 ホームページ：http://science.shinshu-u.ac.jp/~thz/ 連絡先：[email protected] たけ だ みつ お 武 田 三 男 趣味：春は山菜採り，夏は水泳，秋はキノコ狩り，冬はコタツで一杯。 Mitsuo TAKEDA 現在の研究テーマ：物質による電磁波の制御 『光を閉じ込めるにはどうしたらよいのか？』 とき金属内の電気抵抗によりその運動するためのエ 1. はじめに ネルギーが反射のたびにジュール熱となって失われ 遊園地の「鏡の部屋」や床屋さんで自分の前後ま てしまいますのでいつまでも閉じ込めておくわけに たは左右に鏡があって，鏡の中に鏡が無限に写って はいきません。四方八方を鏡に囲われた「鏡の部屋」 いた不思議な体験をした経験はありますか。これは の中でライトを消すと一瞬のうちに真っ暗になって 空間が無限に広がったわけではなく，光が平行な 2 しまいますね。 枚の鏡に繰返し反射されているために起こっている そこで，どうしたらより長く，しかも自分のすき ことは直ぐに理解できます。自分自身で 2 枚の鏡の な波長の光を閉じ込めておくことができるかを考え 中に立って確かめたわけです。このように，光をあ て生まれたのがフォトニック結晶の概念です。 る決まった空間の中に閉じ込めておく最も簡単な方 法は２枚の平らな鏡を平行においてその中に光を導 くかその中に電球をおいて光を発光させてやれば良 いわけです。このような平行な平面鏡でできたもの を共振器 (キャビティ：cavity) と呼びます。 通常の鏡はガラス板の表面に銀やアルミなどの金 属をメッキや蒸着で張り付けて作られています。光は この金属の表面で反射されるわけです。金属には自 由電子と呼ばれる金属中をほとんど自由に動き回れ る電子が沢山存在しています。この自由電子との相 互作用で光は反射されるのです。銀やアルニウムの 鏡で自分の顔を移すと実際とほぼ同じ色合いで写っ ています。 したがってこのような材質の鏡で共振器を作れば 光の波長によらず全ての光を閉じ込めておくことが できます。といっても，電子は光によって運動する 図 1 : フォトニック結晶と光の局在 研究領域紹介と私の夢 2. フォトニッククリスタルとフラクタル 射させることができます。構造色を自在に変化させ 私達の身近な物体はそのほとんどが色をもってい ることができるすぐれものというわけです。私達の ます。例えば，街路樹の木の葉は緑色ですし，道路 研究もようやくこの段階に到達したところです。 のアスファルトは黒色です。葉っぱはその細胞内に 一方，フラクタルという概念は 1970 年代にマン 光合成をする葉緑素が含まれているために緑色に見 デルブロー (B. B. Mandelbrot) により提唱されまし えますし，血液は赤血球のヘモクロビンのために赤 た。結晶における “周期性 (periodicity)” に対して， く見えます。これに対して空にただよっている雲は フラクタルでは “自己相似性 (self-similarity)” とい もともと透明な水滴の集まりなのに白色に見えます。 う階層構造がその本質的特徴です。ブロッコリーを 物体を見たときの色には物体を構成する物質そのも 買ってきて，その一部をとってみましょう。それは， のの発する色の場合と物質の構成する構造によって 元のブロッコリーと同じ構造です。これが自己相似 特別な波長の光だけが効率良く反射されて色がつい 性です。樹形やリアス式海岸，入道雲など自然界に てみえる場合に大きくわけることができます。ここ はフラクタル構造が良く見られます。 では，後者の物質の構造により見た時の色がかわる 3. 将来の夢 いわゆる『構造色』ともいうべき色について考えま 最近は，三次元の H 字型フラクタル (図 2) をひと しょう。 つの原子にみたてて，テラヘルツ領域の光をあやつ 蝶の羽のきれいな光沢は，良く観察すると見る位 る研究をやり始めました。フォトニック結晶とうま 置や方向によって微妙に変化します。ハトやクジャ く組み合わせることによって負の屈折率 (n < 0，図 クの羽根もそうですね。ご存知のように蝶の羽の表 3) が実現できるメタマテリアルです。『透明マント』 面には鱗粉という細かい粉のようなものが付着して を作ってみたいと考えています。 います。この鱗分ひとつひとつを顕微鏡で拡大して みると細かいギザギザがわりと整然と並んでいるの が分かります。鳥の羽根もやはり拡大してみると周 期的空間構造になっていることが分かります。この 周期はちょうど発色している光の波長と同じ程度に なっています。このように空間構造によって発色し ていることを構造性発色と呼んでいます。宝石のオ パールの発色の原理も周期空間構造に由来します。 しかし，よりもっと上手なものがいます。サンゴ 礁に住むスズキ目のスズメダイ科のルリスズメダイ という熱帯魚はコバルトブルーの体表をしています。 浅い内湾に多く居ます。小さなプランクトンを主食 図 2 : 三次元Ｈ字型フラクタル にしながらサンゴの陰などに群れています。7cm 程 の小さな体ですが鮮やかなブルーは，遠くからでも 目に止まります。臆病なので近付くとすぐに隠れて しまいますがキラキラした体はすぐに見つける事が できます。 かれらの体表には虹色素胞という細胞が 配列しています。細胞質の中に反射小板という板状 組織が多層膜構造を作っています。反射小板は細胞 質に比べて誘電率が高いので，細胞質と一次元フォ トニック結晶を構成していることになります。通常 はコバルト色を反射させるような格子定数になって いますが，この格子定数を自在に変化させ緑色を反 図 3 : メタマテリアルによる屈折 重い電子系圧力誘起超伝導体の発見をめざして 講座・職名：物性物理学講座・准教授 略歴：’97 大阪大学理学部卒業，’99 大阪大学大学院理学研究科博士前期課程修了，’99 ∼’00 日立金属株式会社，’00∼’03 大阪大学大学院理学研究科博士後期課程 (中退)，’03∼’04 大阪大学大学院理学研究科助手，’04 博士号 (理学) 取得，’04 ∼’05 大阪大学極限科学研究センター特任研究員，大阪大学大学院理学研究 科特任研究員を経て，’05.11∼現在 現職 専門分野：物性物理学実験 キーワード：磁性，超伝導，重い電子系，高圧，低温 連絡先：[email protected] なか しま み ほ 中 島 美 帆 Miho NAKASHIMA 現在の研究テーマ：希土類およびウラン化合物の高圧下物性 重い電子系の超伝導 重い電子系圧力誘起超伝導体，つまり常圧 (大気圧) 現在私が一番興味を持っていることは，セリウム では超伝導を示さないけれど高圧下において初めて (Ce) 化合物やウラン (U) 化合物における磁性と超伝 導です。とくに，重い電子系と呼ばれる系の研究を 行っています。重い電子系とは，電子の有効質量が極 端に重くなる現象で，物性物理の中でもっとも盛ん に研究されてきた分野のひとつであり，たくさんの 面白い物理が見出されています。電子の有効質量と は，静止質量と異なり簡単には電子の動きにくさと 比例する量で，たとえば絶縁体では，電場をかけて も電子がほとんど動かないため，有効質量は無限大 だということが出来ます。重い電子系物質は絶縁体 ではなくて金属ですが，電子がその静止質量の約 100 ∼1000 倍 もの大きな有効質量を持ち，通常の金属 とは異なる性質を示します。この重い電子系の起源 は，クーロン反発力により電子同士が互いに避けあ う効果 (電子相関) であり，電子が非常に動きにくく なっているために有効質量が非常に重くなるのです。 重い電子系の研究のなかで，もっとも興味深い現 象のひとつに超伝導があげられます。超伝導を示す 重い電子系物質はいくつか見つかっていますが，そ れぞれ多様な振る舞いをみせ，超伝導の発現機構に ついても完全に理解されていません。そのなかでも， 超伝導を示す物質が私の研究テーマです。 「高圧」というのがどのくらい高い圧力かという と，われわれの実験ではおよそ 1∼10 GPa の高圧を 用いています。1 GPa は約 1 万気圧です。世界一深 い海底で約 0.1 GPa ほどですので，1 GPa でも実生 活からは想像出来ないほど大きい圧力です。(ちなみ に地球の中心部は約 360 GPa と考えられています。) われわれは，圧力セルとよばれる高圧発生装置 (図 2) をはじめ，種々の圧力装置の開発をして実験をし ています。 図 2 : 圧力装置の概略と実物写真 最新の超伝導研究：重い電子系圧力誘起超伝導 超伝導現象は，1911 年にオネスによって Hg(水銀) 小さなサンプルにいかにして端子を付けるか，静水 で発見されました。物理としても非常におもしろく， 圧性 (均一に圧力がかかること) を上げ，さらに高圧 実用の面からも非常に期待されている現象ですが， にするにはどうすればよいか，などといった問題を 実は現象自体はそれほど珍しいものではなく，例え 解決するのに多くの時間を費やし，それをやっと乗 ば単体の金属の中では Al(アルミニウム) や Pb(鉛) り越えて測定までこぎつけても，低温にすると断線 など，かなりの数の金属が超伝導を示します。 したり，圧力容器が割れてしまったりすることもあ また，1957 年に BCS 理論とよばれる超伝導を説明 り，根気と忍耐 (とすこしの度胸) の要る実験です。 する理論が完成し，それまでの超伝導の実験結果は 私も圧力誘起超伝導探しに取り付かれ，大学院博士 この理論で説明できるとされてきました。しかしそ 課程の頃から研究を続けてきました。色々なサンプ の後，1980 年の有機化合物 (TMTSF)2 PF6 の低温・ ルについて測定を行い，研究を始めてから 5 年目に， 高圧下での超伝導の発見 (金属以外の超伝導の発見) Ce2 Ni3 Ge5 という物質で圧力誘起超伝導を発見して や，1986 年の銅酸化物の高温超伝導体の発見 (超伝 います (図 1)。 導臨界温度の飛躍的な上昇) により，同じ超伝導にも 色々なタイプがあることが分かってきてから，超伝 導の研究は再び盛んになってきたのです。 そんな中，重い電子系の超伝導は，1979 年に重い 電子系物質 CeCu2 Si2 において初めて発見され話題 を呼びました。それまでの理論では，重い電子系の 大きなクーロン反発力により超伝導は実現しないと 考えられていたからです。 その後，CeCu2 Ge2 という化合物に高い圧力をか けるとある圧力近傍で超伝導が出現することが発見 されました。圧力を加えるということは原子間距離 を人工的に変えてやることになり，圧力という人工 図 1 : Ce2 Ni3 Ge5 の圧力誘起超伝導 のパラメータで超伝導の出現を制御できたことにな ります。このような圧力誘起超伝導体はその後いく 物理は積み重ねの学問ですから，一つ一つの過程 つかの Ce 化合物や U 化合物でも発見され，研究が は非常に地味です。正直に言って，私が実験をして 進んできました。初期の発見は外国の研究者の手に いて，楽しいな，と思うのは数年に一度のことです。 よるものがほとんどでしたが，最近では日本での発 しかし，新しいものを発見したときの喜びは，それ 見も多くなってきています。 までの苦労を一瞬にして帳消しにしても余りあるほ しかし，これらの発見に不可欠な高圧実験は，物 ど大きいものです。 性物理測定の中でもっとも困難な手法の一つです。 また，科学という世界は，常に世界中のライバル 高圧下での測定には前述の圧力セルを使って圧力 と競争しなければならない過酷さを有す一方で，世 をかけますが，物性の測定を行うには高圧にするだ 界中の人と共通の話題で熱く語り合うことができる けでなくそのセルごと低温にしなければなりません。 という魅力的な世界です。 また，加圧される空間の体積は小さければ小さいほ 常に新しい力が必要ですし，若い人が活躍できる ど加えた力に対する圧力効率がよくなるので，必然 場が多くあります。より多くの人が我々の分野に興味 的に扱うサンプルは非常に小さいものになります。 をもち，一緒に研究してくれることを望んでいます。 世界最高の加速器が開く高エネルギー物理学新時代の扉 講座・職名：素粒子・宇宙物理学講座・准教授 略歴：’90 東北大学理学部物理学科卒業，’92 同大学院理学研究科修士課程修了，’95 同大学院理学研究科博士課程修了，’95 東京大学研究員，’97 日本学術振興会 海外特別研究員 (CERN)，’99 CERN フェロー，’00 信州大学理学部助手，’06 同助教授，’07 から現職 専門分野：高エネルギー物理学実験 キーワード：素粒子物理学，標準理論，クォーク，レプトン，ヒッグス粒子，超対 称性粒子，粒子加速器，ハドロン衝突型加速器，電子陽電子衝突型加速器， CP 非保存，微細構造ガス検出器 は せ がわ よう じ 長 谷 川 庸 司 Yoji HASEGAWA ホームページ：http://hepl.shinshu-u.ac.jp/~hasegawa 連絡先：[email protected] 現在の研究テーマ：加速器を用いた高エネルギー物理学実験 高エネルギー物理学 (素粒子物理学) は，物質を形 仲間です。これらの素粒子の間に働く力には，皆さ 作る最小要素 (素粒子) とそれらの間に働く力 (相互 んもお馴染みの電磁気力，重力に加えて，陽子と中 作用) を解明する学問です。 性子をつなぎ止めて原子核を形作る強い力，放射性 物理学研究には理論と実験があり，私が行ってい 同位体をβ崩壊させる弱い力の４種類があります。 る後者は，最小要素を「見」て調べる必要がありま 後の二つは，素粒子の世界でしか力が及びません。 す。ものを「見る」とは， 「対象物にものをぶつけて， 逆に，重力は，素粒子の世界では他の３つの力と比 その跳ね返りや，壊れてできた『破片』の様子を調 べて極めて弱く，無視できます。素粒子の世界で働 べる」ことです。例えば，光学顕微鏡は，ものに当っ く３つの力もゲージ粒子と呼ばれる素粒子が伝えま て散乱された可視光を目で感じることで，その形を す。さらに， 「なぜ物質には質量があるのか」を説明 見ます。光学顕微鏡では見られない素粒子の世界を し，素粒子の質量の起源となるヒッグス粒子があり 「見る」には，可視光の代わりにエネルギーの高い ます。これらの素粒子をまとめて説明する理論の枠 粒子をぶつけます。量子力学によれば，小さいもの 組を素粒子物理学の「標準理論」と呼びます。過去 を「見る」には，高いエネルギーが必要なためです。 30 年以上，実験による標準理論の検証が行われてき 素粒子を「見る」ための「顕微鏡」が粒子加速器で， ました。驚くべきことに，標準理論は全ての実験結 電荷を持った粒子 (電子，陽子やそれらの反粒子な 果を矛盾なく説明し，理論の綻びが見つかっていま ど) を高電場で高いエネルギーまで加速し，これら せん。 の粒子同士を正面衝突させます。衝突により発生し しかし，長期間の実験検証に耐えてきた標準理論 た様々な粒子を詳しく調べることで，素粒子の世界 ですが，不満がいくつかあります。まず、理論の中 を「見る」ことができます。これが， 「高エネルギー」 で非常に重要な働きをしているヒッグス粒子が未発 物理学と呼ばれる所以です。衝突で発生する粒子は 見なことです。次に，標準理論では決めらず，実験 放射線のため， 「目」となる専用の検出器が必要にな 結果から決めなければならないパラメータが多いこ ります。 とです。これらを解決するために，理論研究者によ 現在確かめられている物質の最小要素は，６種類 り標準理論を超える理論 (標準理論を抱合するより ずつあるクォークとレプトンです。陽子や中性子は 大きな枠組の理論，例えば，超対称性理論) か提案さ クォーク３つからできています。電子はレプトンの れています。 世界最高の加速器による素粒子の世界の解明 LHC/ATLAS 実験 加速器を用いた高エネルギー物理実験には，二つ の流れがあります。一つは可能な限り高い衝突エネ ルギーを目指す流れで，加速する粒子のエネルギー を上げ，より重い素粒子や，新しい現象の生成を可 能にします。その代表例が，ジュネーブ郊外にある ヨーロッパ素粒子研究所 (CERN) の大型ハドロン衝 突型加速器 (LHC) です。周長 27km，地下約 100m の円形トンネル内に設置され，反対方向に 7 兆電子 ボルトまで加速された陽子同士を正面衝突させます。 実験が 2008 年から始まります。 LHC により陽子同士が衝突した際の現象を「見る」 測定装置の一つが ATLAS 実験で，私は，計画段階 から参加し，10 年以上にわたり，測定器の一部の設 計，シミュレーションによる性能評価，建設に携わっ ています。ATLAS 測定器は，大きさが直径 23m，長 さ 44m の円筒形をした巨大な測定装置です。下図は 私が携わった測定器が ATLAS 測定器に取り付けら れた写真です。 か起こらない現象を生成し，それらを詳しく調べる ことで，背後にある基本法則を解き明かすものです。 代表的な実験が，つくば市の高エネルギー加速器研 究機構 (KEK) にある周長 3km の KEKB 加速器で， 電子と陽電子を世界最高の衝突頻度で衝突させます。 KEKB の「B」は，二番目に重い b クォークを含む B 粒子を効率良く対生成するように衝突のエネルギー が調整されていることに由来し，KEKB 加速器は「B 工場」とも呼ばれます。KEKB 加速器での衝突現象 を捕らえるのが BELLE 測定器で，私はこの実験に も参加しています。この実験での大きな成果は CP 非保存を解明したことです。CP 非保存は，宇宙開闢 時に物質と反物質は等量あったはずなのに，現在の 宇宙には物質しか存在しない理由を説明します。稀 な現象を詳しく調べることで、物質と反物質で崩壊 の仕方に極わずかの違い (CP 非保存) を見つけ，反 物質消滅の謎を解き明かしたのです。 放射線測定器の開発研究 高エネルギー物理学実験に必要な「目」がオーダー メイドの放射線検出器です。性能の良い検出器を開 発することも，私たちの大きな役目の一つです。放射 線検出器は，放射線診断や治療の分野での利用など， 幅広い分野に応用されています。私は，特に，ガス を用いた放射線測定装置の開発を行っています。ナ ノテクノロジーを用いて，性能がよく，取扱い易い 検出装置の開発を目指しています。 ATLAS 測定器に取り付けられた検出器。茶色の検出器 1 つが 高校生の皆さんへのメッセージ ほぼ畳 1 枚に相当 (CERN 提供)。 物質を分割して行き着く先の探索は，古代ギリシ ア時代以来脈々と続き，人類の「遺伝子」に擦り込 標準理論が破綻しないためには，LHC/ATLAS 実験 でヒッグス粒子が見つからなければなりません。AT- LAS 実験では，標準理論のより精密な検証や未発見 のヒッグス粒子探索のほか，標準理論を超える理論 で予言される現象，例えば，超対称性粒子探索，ブ ラックホールの生成など，今までの加速器実験では できなかった研究が可能になります。この実験で得 られる新しい沢山の知見は，素粒子物理学を標準理 論の枠組から解き放ち，新たな段階に進めるに違い ありません。実験準備は大詰めで，いよいよ実験が 開始されます！ KEKB/BELLE 実験 もう一つの流れは，高い衝突頻度により，稀にし まれているのかもしれません。その最先端の研究が， 高エネルギー物理学です。近年の高エネルギー物理 学実験は，標準理論の検証が主で， 「嵐の前の静けさ」 の状態でした。LHC が動き出すことにより，新しい 時代の扉が開かれようとしています。このような高 エネルギー物理学の大変革を共有できるのは、大変 幸運なことだと思います。データを蓄積し，結果が 出るのは，もう少し先になると思いますが，皆さん も新しい素粒子の世界像を楽しみにていて下さい。 そして、我こそは，と思う方は，是非私達と一緒に 未知の領域を探索して，謎を解き明かしてゆきませ んか。 物質の神秘を解き明かす 講座・職名：物性物理学・准教授 略歴：’87 早稲田大学卒業，’89 早稲田大学修士課程修了，’89∼’92 (株) 富士通，’95 新潟大学博士課程修了 博士 (理学)，’95∼’97 日本原子力研究所 専門研究 員，’97∼’02 年 東北大学大学院理学研究科 助手，’02∼現在 信州大学理学部 准教授 専門分野：物性理論 キーワード：量子力学，熱力学，統計力学 ひ ぐち まさ ひこ 樋 口 雅 彦 Masahiko HIGUCHI 現在の研究テーマ：物性物理学とは 物質は，それを構成するたくさんの原子核や電子 が複雑に絡みあうことによって多様な性質を示しま はこのような基本的な疑問や興味に答えを出そうと する学問です。 す。物質のさまざまな性質を，力学，電磁気学，熱 力学，統計力学，量子力学などを用いて解き明かす 学問を「物性物理学」と言います。 物性物理学の醍醐味は，アンダーソン博士 (1977 年ノーベル物理学賞) の言葉「More is different」に 集約されると思います。この言葉をわかりやすく言 い換えれば， 「素性のわかった粒子でもそれがたくさ ん集まると驚くべき現象を起こす」となります。素 粒子物理学とは違い，物性物理学の基本粒子は素性 の (比較的よく) わかった原子核と電子です。しかし これらがたくさん集まると，お互いに複雑に絡みあ い，びっくりするような現象を引き起こすのです。わ れわれに身近な具体例としては， 「超伝導」や「磁性」 と呼ばれる現象が挙げられます。前者は物質を冷や すと電気抵抗が完全にゼロとなる現象で，電子と原 子核の運動が調和をした結果あらわれます。ひとつ 図 1 : 複雑に絡みあう物質中の粒子 の原子核や電子だけでは到底起こりえない現象です。 後者は読んで字の如く，磁石の性質に関連した現象 です。これもたくさんの原子核と電子が絡みあいそ して協力して磁石となります。 たくさんの粒子が集まるとなぜこのような現象が 起こるのでしょうか？またこのような現象をわれわ れの生活に還元できないのでしょうか？物性物理学 図 2 : 物性物理学とは 研究分野の周辺 前述したように，物性物理学の面白味は複雑に絡 みあうたくさんの粒子が示すある種普遍な現象にあ ります。そのからくりを解き明かすのは一筋縄では いきません。なぜならば，あまりに莫大な数 (1023 個程度) の原子核と電子が絡みあって諸現象を発現 しているからです。ではどのようにして切り込めば よいのでしょうか？ ひとつの理論的な糸口が 1960 年代にコーン博士 (1998 年ノーベル化学賞) によって与えられました。 アイデアは極めてシンプルで，現実の物質と一対一 に対応するバーチャルな物質 (仮想物質) を用意し， その物質で現象を論じようというものでした。すで に述べてきたように，現実の物質は莫大な数の粒子 が絡みあう複雑なものですが，バーチャルな物質で 図 3 : バーチャルな物質へ” すり替える” は絡みあいのないバーチャルな粒子を用意し，問題 を解ける形にすり替えました。この問題のすり替え には数学的に精巧な議論が用いられ，その完全な証 明には 20 年近くも要しました。ともかく，複雑怪奇 な現象のからくりを解く糸口が見つかりました。現 在までの間，この理論はさまざまな物質に適用され 有効性が実証されてきました。その功績でコーン博 士は (30 年以上後に！) ノーベル賞を受賞したわけ です。 最近になり，コーン博士のこの理論にはかなり柔 軟性があることがわかってきました。すなわち，コー ン博士の理論を一般化すれば，扱える現象の種類や 範囲が格段に広がることがわかってきました。対象 とする現象に応じてバーチャルな物質をうまく用意 すれば，オーダーメードのように有効理論が出来上 がるというわけです。物性物理学の研究の最前線は 広範多岐にわたっています。これら最前線で見られ る諸現象を同源の一般化された理論で扱えるかもし れません。さきに述べた超伝導，磁性も然りです。 私は，物質の神秘を解き明かすこのような一般化 理論の構築に取り組んでいます。 図 4 : 一般化バーチャル世界へ向けて おもしろい光の特性を目指して 講座・職名：物性物理学講座・助教 略歴：大学学部から大学院博士課程まで大阪大学で過ごす。紆余曲折を繰り返しな がら，2006 年に現職 信州大学物理科学科にたどり着く。 専門分野：光物性，テラヘルツ電磁波工学 キーワード：周期的微細構造，伝搬モード，金属微細構造，異常透過現象，未踏破 電磁波，レーザー技術，透視技術，薬品検査技術 ホームページ：http://science.shinshu-u.ac.jp/~thz 連絡先：[email protected] みや まる 趣味：できるだけ高い山でたたずむこと。時折，北アルプス山中に出没する。 ふみ あき 宮 丸 文 章 Fumiaki MIYAMARU 現在の研究テーマ：(1) フォトニック結晶による面白い光学特性に関する研究 1. フォトニック結晶とは？ 光は電磁波のうちのひとつです。普段我々は，空 気中をまっすぐ進む電磁波しかあまり意識しません が，実は電磁波はあらゆる物質の中をいろいろな形 態 (モードと呼びます) で伝搬します。この伝搬モー ドはこれまで物質の種類を変えることによって制御 してきましたが，人工的な微細構造によっても制御 することができるようになってきました。その人工 的な微細構造がフォトニック結晶というものです。 電磁波の波長と同程度の微細構造があると，電磁 波はそれらの構造によってあらゆる場所で散乱され， それらの散乱電磁波は互いに干渉します。もし微細 構造が周期的に配列されていると，散乱されたそれ ぞれの電磁波はある規律をもって干渉します。その 結果，フォトニック結晶特有の伝搬モード (これを フォトニックバンドと呼びます) が出現することに なります。このフォトニックバンドを用いることに よって，非常に面白い光学特性を得られます。人工 構造によって光学特性の制御が可能なため，フォト ニック結晶の応用範囲は，可視光領域からラジオ波 まで幅広い周波数領域に渡って応用されることが期 待できます。 2. ユニークな光学特性の発見 特に金属を材料として微細周期構造を作製すると， これまでの常識では考えられないユニークな特性が 現れます。たとえば図 1 の左に示した図では，金属薄 膜に周期的に穴が開けられています。この金属開口 アレイに光を入射させると，ある周波数 (波長) の光 だけ，ほぼ 100 ％の透過率を示します。これは非常に 驚くべきことです。なぜなら，穴のあいた部分の面 積は，全体の面積に対してせいぜい 30 ％程度しかな いからです。30 ％の空隙率にもかかわらず，ある光 だけはあたかも金属の物質が存在しないかのように 透過していきます。この現象は初め実験的に観測さ れたものでしたが，後の研究においてコンピュータ シミュレーションにより詳細に解析されました。図 1 の右側には，ひとつの穴の近傍における電磁波のエ ネルギーの流れを示しています。それによると，図 の下側れによると，図 1 の下側から入射された電磁 図 1 : 金属開口アレイの光学特性 波は，金属部分から穴の中に吸い込まれるようにし て入っていき，穴を通過後，再び解き放たれるかの ように出て行く様子がわかります。この特性により， (2) テラヘルツ電磁波の特性と応用可能性を探る研究 100 ％の透過率が得られるわけです。我々の普通の 感覚では一見奇妙とも思えるこのような光の振る舞 いは，金属を材料とした周期微細構造によって実現 されます。金属微細構造における非常にユニークな 特性は今も多く発見され続けており，それらの光学 特性は将来，人間に役立つ応用技術へ展開されてい くものと確信しています。 3. テラヘルツ電磁波とは？ もうひとつの研究テーマであるテラヘルツ電磁波 とは，一般に ”光 ”と言われている領域と ”電波 ”と 言われている領域のちょうど中間に位置する電磁波 領域です。近年まで，この周波数領域は，光源や検 出器が無かったために一向に研究が進まず，未踏破 電磁波領域と呼ばれていました。しかし近年のレー ザー技術の急速な発展により，テラヘルツ電磁波を 高強度に放射させることのできる光源が作られるよ うになり，急速に研究が進んでいる領域です。 図 2 は，開発されたテラヘルツ分光システムの模 式図を示しています。フェムト秒パルスレーザーとい う，非常に短い時間しか光らないレーザーを用いる ことによって，テラヘルツ電磁波を発生しています。 や陶器などの物質を素通りします。一方，薬品やプ ラスチックなどにはある特異な吸収特性を示します。 これらの性質を利用して，さまざまな応用が考えら れます。たとえば図 3 には，封筒内に隠されたプラ スチック爆弾をテラヘルツ電磁波によりイメージン グした例を示しています。封筒を素通りし，封筒内 のプラスチック爆弾がはっきりと浮かび上がってい るのがわかります。この他，服も透過するので，空 港や駅において，服の下に不審なものを隠していな いかをチェックするシステムも開発されています。こ のようなテラヘルツ電磁波の特性は，さまざまな産 業分野へ応用されていくと考えられます。 図 3 : 封筒内のプラスチック爆弾の透視画像 図 2 : テラヘルツ分光システム 4. テラヘルツ電磁波で何が出来るのか？ テラヘルツ電磁波は他の電磁波には無い光学特性 があり，それを利用した応用技術というものが考え られてきています。たとえば，可視光とは異なり，紙 「宇宙線の風」を追って 講座・職名：素粒子・宇宙物理学講座・教授 略歴：’86 名古屋大学大学院理学研究科博士課程修了，’87∼’89 理化学研究所流動 研究員，’89∼信州大学理学部助手，’93∼同助教授，’97∼現職 専門分野：宇宙線物理学 キーワード：宇宙天気，ネットワーク観測，銀河異方性，太陽近傍の銀河磁場 ホームページ：http://cosray.shinshu-u.ac.jp/crest/ http://neutronm.bartol.udel.edu/spaceweather/ 趣味：SF 映画鑑賞。最近のお気に入りは「エイリアン vs プレデター」。 むな かた かず おき 宗 像 一 起 Kazuoki MUNAKATA 現在の研究テーマ： 「宇宙線風」の観測による宇宙空間の研究 「宇宙線」とは，宇宙空間を飛び回っている陽子 (水素原子核) を主成分とする放射線です。特にエネ ルギーの高いものは「銀河宇宙線」と呼ばれ，我々 の銀河系内で作られたと考えられています。 銀河宇宙線は宇宙のあらゆる方向からほぼ等方的 に飛来していますが，その強度 (単位時間・面積あ たりに飛来する粒子数) にはごく僅かな非等方性 (異 方性) が存在します。これが「宇宙線の風」です。私 は，この「宇宙線の風」がどうして吹くのか，また それを測って宇宙空間の様子を調べられないか，を テーマに研究しています。 1. 「宇宙線の風」と宇宙天気 地球周辺の宇宙空間は，太陽磁場を伴った太陽風 プラズマで満たされています。宇宙線 (原子核) は正 の電気を帯びているので，この太陽磁場の影響を受 けます。例えば，太陽面でフレアや CME と呼ばれ る爆発現象が起こると，爆発で放出された太陽大気 プラズマが約数日後に地球に衝突し，地球で観測さ れる宇宙線の強度 (粒子数) は劇的に変化します。こ のとき， 「宇宙線の風」も嵐のように吹き荒れことが 判ってきました。我々は，この「宇宙線の風」を測 れば，宇宙空間の天気「宇宙天気」を知ることがで きると考えています。これは， 「台風の目」の位置や 進路を風向きや風の強さから知ることが出来るのと 似ています。 「宇宙線の風」を正確に測り，何時起こるとも知 れない嵐に備えるには，宇宙のあらゆる方向から来 る宇宙線を常時監視する必要があります。我々は世 界の 5 箇所に検出器を設置して，グローバルなネッ トワーク観測を行っています (図 1 参照)。 図 1 : 信州大学宇宙線観測ネットワークの観測方向。6 台の宇 宙線計のそれぞれは，同時に複数の方向を観測できる。○や△が 観測視野の中心方向で，地球磁場による粒子軌道の曲がりを補正 し，地球磁気圏外の宇宙空間での観測方向が示されている。全部 で 68 の方向を同時観測できる。地球磁場の影響で，観測方向は 宇宙線のエネルギーとともに細い線上を移動してゆく。 つづきと私の夢 2. 銀河に吹く「宇宙線の風」 3. 私の夢 図 2 は宇宙線の強度を，飛来方向の赤経 (横軸)・ 1. で『「宇宙線の風」を測ることにより宇宙天気 赤緯 (縦軸) の関数としてカラー・マップで示したも を知ることができる』，と書きました。我々の夢の のです。赤色が宇宙線が多く飛来する方向，青色が ひとつは， 『「宇宙線の風」を使って宇宙天気を予報 少なく飛来する方向を表しています。この図で観測 できないか？』ということです。 「予報」は的中率が された宇宙線は，1. で述べた宇宙線より 100 倍もエ 高くなくてはなりませんが， 「宇宙線の風」と宇宙天 ネルギーが高く，太陽活動の影響をほとんど受けま 気の関係が良く理解できるようになれば，精確な予 せん。したがって，この図の「宇宙線の風」は太陽 報を早期に出すことも可能だと考えています。 近傍の銀河磁場の構造が原因で作られていると考え 「宇宙線の風」を使った予報原理を図 4 に示しま られています。しかし，太陽近傍の銀河磁場の様子 す。太陽面爆発で放出されたプラズマの塊は，太陽 は，まだほとんど知られていません。我々は，図 2 の強い磁場を伴って地球に向かって来ます (磁気雲)。 のような宇宙線観測結果が，その様子を知る手がか このとき，電気を帯びた宇宙線は磁気雲で外向きに りを与えてくれると考えています。 押し戻され，磁気雲背後に宇宙線の少ない領域 (過少 域) が形成されます。もしこの領域と地球が背景の太 陽磁力線でつながったとすると，過少域を出て磁力 線に沿って地球に飛来する宇宙線の数は，他の方向 から飛来する宇宙線より少ないはずです。このとき， 磁気雲は秒速 1,000km ほどの速度で地球に向かって 来るのに対して，エネルギーの高い宇宙線は数百倍 図 2 : 高エネルギー宇宙線で観測された「宇宙線の風」。銀河で 速い光の速度 (秒速 300,000km) で飛来します。つま 吹く風と考えられている。 り，宇宙線は磁気雲を追い越し，磁気雲が地球に着 く前に地球にメッセンジャーとして情報を運んでく 図 2 の観測データは，東京大学宇宙線研究所を中 心とする研究グループ (私も参加しています) が，チ れるのです。我々は，実際にこうした現象を「宇宙 線の風」の中に観測しています。 ベット高原に設置した空気シャワーアレイという観 測装置で観測したものです。この装置は，同じエネル ギー領域の宇宙線を世界最高の精度で観測すること が出来ます。今後の研究の発展が期待されています。 図 4 : 宇宙線観測による宇宙天気予報の原理。宇宙線は磁気雲 図 3 : チベット高原 (標高 4300m) に設置された空気シャワー の数百倍の速さで地球に飛来するので，磁気雲が地球に到達する アレイ 前に地球へ予報情報を伝えることができる。