B - kek

KEK 公開講座
堺井 義秀 (KEK)
2011年6月18日
宇宙は約１３７億年前に
ビッグバンにより
誕生した
宇宙の謎を
解明する鍵は
素粒子である
すべての「物質」は分子からできている
そして分子は…
原子
原子核
＋
陽子
クォーク
1000兆分の1
メートル
ー
電子
たしかに、宇宙は素粒子からできてい
ることは納得しましたが、
素粒子のことがわかったからといって
宇宙のことがわかるの？
素粒子のことがわかっても、
植物・動物・地球のことが分かるとは
言えないでしょう。
ましてや、宇宙のことなんて…
宇宙の歴史と素粒子
子
素粒 界
の世
性子
中
・
陽子 001秒
0.0
核
原子
3分
：
原子
年
４０万
インフレーション
7
素粒子の世界：反粒子
素粒子の基本的法則：
すべての粒子には反粒子が存在する。
ディラック
電子の相対論的運動方程式
「負」のエネルギーの解が存在！？
（逆の電荷をもつ）
P. A. M. Dirac
悩んだ末に…
陽電子の存在を予言
反粒子は粒子と質量や寿命は等しく、
電荷の大きさも等しいが、符号が反対。
すべての素粒子は、反粒子をもつ。
電子
アンダーソン
により発見！
(1932年)
反粒子と反物質の世界
反原子
反原子核
ー
反陽子
反クォーク
＋
反電子
(陽電子)
反粒子は、素粒子反応で予想通り作られる。
（素粒子実験で確認）
 真空（エネルギーのみの状態）から
粒子と反粒子がペアで生成
 粒子と反粒子は対消滅して
エネルギー（光など）になる
相対性理論
エネルギーと質量は等価である
E: エネルギー
m: 質量 c: 光の速さ
アインシュタイン
反原子
陽電子
電子
ud
u
陽子
u
ud
反陽子
実際に2002年ヨーロパの
反水素原子
CERN研究所では、反水素
原子の合成に成功している。
1000秒閉込成功(今年6月)
しかし、現在の宇宙には
反物質はほとんどない
（多くの観測事実より）
ビッグバン理論
では、粒子と反粒子は
対生成され、同じだけあった
137億年の間に反粒子(反物質)は消滅した！
なぜ反物質は消滅したか？
この謎を解く鍵は、
「CP対称性の破れ」
粒子と反粒子の
ふるまいの違い
サハロフにより提唱（1967）
ＣＰ対称性とは
ＣＰ変換： 粒子と反粒子との変換
Ｃ（荷電変換）：粒子の電荷などを逆符号にする
Ｐ（パリティ変換）：空間反転（＝鏡像反転）
CP変換に対して不変
＝粒子と反粒子のふるまいが同じ
ν 左巻き
（スピン）
レプトン数＝１
C
レプトン数＝-１
ν 左巻き
P
ν 右巻き
Belle 実験 CP対称性の破れと宇宙の反物質の消滅
粒子
反粒子
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。
© J.Haba
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。
どうして「CP対称性の破れ」が起きるか
小林・益川理論
弱い相互作用で
クォーク混合行列が
実数ではなく複素数
「虚数部」をもつことによる
3世代(６個）のクォークを
予言
（１９７３年）
t
b
トップ
ボトム
c
s
チャーム
u
アップ
ストレンジ
d
ダウン
クォーク混合行列
カビボ・小林・益川行列 とも呼ぶ
（ユニタリー行列）
ユニタリー三角形
（CPの魔法の三角形）
*
Vud Vub
(複素平面)
φ2
Vtd Vtb*
φ3
φ1
Vcd Vcb*
三角形の面積は
CP対称性の破れ
の大きさを表す
小林・益川理論の実験的証明
KEK B ファクトリー加速器
（ｅ＋ｅ‐非対称衝突蓄積リング）
Belle 実験
B中間子と
反B中間子を
大量に生成し
ふるまいの違い
を探究
ルミノシティフロンティア
世界一の性能！
Ｂ中間子とは
６種類のクォーク：
２番目に重いｂクォークと
dまたはuクォークよりなる
b
d
B中間子
b
d
反B中間子
電子・陽電子衝突(消滅)反応
により生成
t
b
トップ
ボトム
c
s
チャーム
u
アップ
ストレンジ
d
ダウン
電子・陽電子消滅反応
生成の頻度（0.001 fb-1あたり）
e- e+ → →粒子・反粒子生成 Z粒子
クォーク対の
共鳴粒子
アップ
ダウン
ストレンジ
チャームクォーク
ボトムクォーク 衝突のエネルギー （GeV
ギガ電子ボルト＝１０億ボルトの電圧で加速）
ベストコンディション（2.1X１０３４／cm２／秒）
で毎秒20ペアを量産
電子（８ＧｅＶ）
陽電子（３．５ＧｅＶ）
B
B
¡(4S)
10.58GeV/c2
B中間子とその反粒子がペアと
短い寿命の間飛行した後
なって発生する。
ずっと軽いふつうの素粒子
に分解(崩壊）する。
© J.Haba
Belle 測定機
γ , π0 測定
e+-（電子）識別
超電導電磁石
電磁シャワーカロリメータ
CsI(Tl) 結晶 30cm (16X0)
K/π 識別
エアロゲルチェレンコフ検出器
屈折率 n = 1.015~1.030
3.5 GeV e+
TOF（飛行時間）
カウンター
K/π 識別
荷電粒子飛跡測定
8.0 GeV e-
中央ドリフトチェンバー
運動量, dE/dx
50層 + He/C2H6 ガス
B 崩壊点測定
シリコン検出器
4 層 両面読み出
ミュー粒子 / KL 識別
~8x8x8m3,
~2000t
KL µ 検出器
14/15 層 RPC+鉄板
測定器信号と再構成事象例
巨大超高速デジタルカメラ
年間1億枚以上のＢ中間子
崩壊の写真
精度よい測定
エネルギー
運動量（方向）
高性能の粒子識別
e, µ, π, K, p, KL
崩壊点の精密測定
B中間子の崩壊
O(1) ps（10-12秒）
Belle 国際研究チーム
ブドカー研究所"
プラハ・チャールズ大学
チェンナイ数理科学研究所
千葉大学
ハンヤン国立大学
シンシナチ大学
フージェン大学
ギーセン大学
ギョンサン国立大学
ハワイ大学
広島工業大学
北京・高能研
モスクワ･IHEP"
モスクワ・ITEP"
カールスルーエ大学
神奈川大学
グワハティインド工科大学"
マドラスインド工科大学"
KEK"
高麗大学"
クラコウ原子核研
キュンポック国立大学
ローザンヌ大学
マックスプランク研究所
ヨセフステファン研究所
メルボルン大学
名古屋大学
奈良女子大学
国立中央大学
国立連合大学
国立台湾大学
日本歯科大学
新潟大学
ノバ･ゴリカ 科学技術学校
大阪大学核理研連合
大阪市立大学
パンジャブ大学
北京大学
KISTI
PNNL"
理化学研究所連合
佐賀大学
中国科学技術大学
ソウル大学
信州大学
サンキュンカン大学
シドニー大学
タタ研究所
東邦大学
東北大学
東北学院大学
東京大学
首都大学東京"
東京農工大学
トリノ・INFN"
富山商船高等専門学校
ウェイン州立大学
ウィーン高エネルギー研
バージニア工科大学
延世大学
世界15 の国と地域, 63大学・機関, ~400 人の研究者!
最近SuperKEKBにむけて多数新規参加
CP対称性の破れの観測
崩壊モード：B中間子は色々な崩壊をする
約3万回に1回の割合で起こる特殊な崩壊
B0 → J/ψ Ks (→π+π- )
( →e+e- , µ+µ-)
B中間子
0
B
＿
0
B
J/ψ
KS
反B中間子
e+
e -
π+
π-
CP対称性の破れの観測
崩壊モード：B中間子は色々な崩壊をする
約3万回に1回の割合で起こる特殊な崩壊
B0 → J/ψ Ks (→π+π- )
( →e+e- , µ+µ-)
反B中間子 ＿
0
B
0
B
J/ψ
KS
B中間子
e+
e -
π+
π-
ふるまいの違い：
生成されてから崩壊するまでの
時間の分布
B中間子：平均寿命 1.5 ps (ピコ秒=10-12秒)
平均飛距離 200 µm (=0.2mm)
（崩壊点の分布より求める）
崩壊時間測定：崩壊点再構成
!
シリコン 検出器
Belle 実験 CP対称性の破れの発見
2001年 Asymmetry
1137
事象
0
B
_ 崩壊
B0 崩壊
0.3億 BB
ＣＰ非保存の発見！
さらに精密測定
CP対称性の破れの大きさ：
小林・益川理論の予言と
一致
25600
事象
0
B
_ 崩壊
B0 崩壊
2011(最新結果)
7.72億 BB
もう一つのCP対称性の破れ
粒子と反粒子の崩壊
崩壊の数が異なる
B
Κ+
π-
e‐
CP対称性の破れ！
B
小林・益川理論の予言
2004
π+
Κ-
e+
Κ-π+
950
1150
２００８年ノーベル物理学賞
小林・益川理論
が証明された
ユニタリー三角形
の実験による
測定
Bファクトリー実験により
•  B中間子でCP対称性の破れ発見
•  ＣＰ対称性の破れのメカニズム解
明
しかし、観測されたCP対称性の破れは
現在の宇宙に至る反物質の消滅を説明
するには充分ではないことがわかった
宇宙のCP対称性の破れの大きさ？
粒子
反粒子
光
（光子）
粒子(物質）
宇宙のCP対称性の破れの大きさ？
簡単のため ビッグバンで
粒子 10000個、反粒子 10000個
CPの破れ： 粒子 10001個、反粒子 9999個
宇宙が冷えて： 粒子 2個、 光子 19998個
現在の 粒子の数/光子の数 ∼ 1/10000
10倍の大きさのCPの破れ： 粒子 10010個、反粒子 9990個
宇宙が冷えて： 粒子 20個、 光子 19980個
現在の 粒子の数/光子の数 ∼ 1/1000
粒子の数/光子の数 が宇宙のCPの破れの尺度である
WMAP*による測定
* NASAの宇宙探査機
物質粒子の数/光子の数
＝ 5.1 x 10-10
一方、Bファクトリー実験の結果から
宇宙の物質粒子の数/光子の数
0.1∼170 GeV
クォークの質量 2
∼ 「CPの破れの大きさ」 x
の積
M（弱い相互作用）
ユニタリー三角形の面積
∼ 10-5
∼ 10-20 ∼100 GeV
宇宙観測値よりずっと小さい！
注意：
小林・益川理論が正しくないということではない
小林・益川理論（標準理論）は、今までに知られている
現象を正しく記述する理論である
 次の階層の新しい物理理論（法則）による
ＣＰ対称性の破れの起源が必要
例） ニュートン力学 → 量子力学
SuperKEKB 加速器での実験
Sup
erK
EKB
KEKB
なぜ 高いルミノシティ
＝高いエネルギースケール？
量子効果による短時間の生成
新しい階層の物理
による重い粒子
ハイゼンベルク
不確定性原理
b
トンネル効果
s_
ss
ルミノシティが高いほど
精度のよい測定
→倍率大(高いエネルギー)
エネルギーフロンティア
高エネルギー反応による直接生成
相補的
ルミノシティフロンティア
量子効果による短時間の生成
LHCで新粒子が発見されなく
ても、より高いエネルギース
ケールの探索が可能
新しいCP対称性の破れの起源
別の特殊な稀な崩壊モード：B0 → φ Ks 約100万回に１回の割合で起こる
_
B0
b
t
d
s φ
s
s
K
d S
現在の物理法則
CP対称性の破れの大きさ
は、B0 → J/ψ Ks と同じ
b
+
d
X
s φ
s
s K
d S
新しい階層の物理法則
異なる大きさの
CP対称性の破れ
新しいCP対称性の破れの探索
SuperKEKBでの期待
信号数が十分でない
J/ψK0
Asymmetry 現在の測定
J/ψK0
φK0
新しい階層のCP対称性
の破れの発見！
（他にも多くの探索モードがある）
まとめ
  CP対称性の破れは宇宙の反物質消滅の
を解く である。
  Bファクトリー実験は、B中間子のCP対称
性
の破れの発見により、小林・益川理論を証
明
し、両氏の2008年ノーベル賞受賞をもたら
した
標準理論での基本粒子
上のクォークとレプトン
に対応する
反クォークと反レプトン
質量を与える粒子
（未発見）
標準理論と超対称性理論
標準理論の素粒子
超対称性粒子
電磁力
~ ~
~
~
強い力
~
~
~
~
~
~
~
~
~
~
~
~
クォーク
レプトン
弱い力
３世代構造
物質構成粒子
（フェルミオン）
力を媒介する
粒子（ボソン）
（ボソン） （フェルミオン）
パートナー粒子
注）描かれてないが反粒子が存在
物理学と複素数
複素数： c = a + b i ( i 2 = -1)
複素平面で表わされる
（二次元：複素ベクトル）
虚軸
.(a , b )
位相
実軸
物理の法則： 数学により記述
ニュートンの運動方程式、マクスウェル方程式： 実数
量子力学：粒子の波動性 → 「波動関数(振幅）」 = ψ 観測量： | ψ |2 （波動関数の絶対値の二乗 = 確率）
シュレディンガー方程式
素粒子のＣＰ非保存
素粒子の波動性： 素粒子は波のようにふるまう
２つの 経路の波の干渉が起こる
「二重スリット実験」
二つの経路の
波の干渉
二つの経路の波の「和」
| 振幅１+ 振幅２ |2 素粒子のＣＰ非保存
CP変換（粒子を反粒子に変える） ↔ 複素共役
崩壊に二つの経路がある場合
2 崩壊振幅 A
=
S
A
+
S
A
崩壊率 R
=
|
S
A
+
S
A
|
1
1
2
2
1
1
2
2
_
_
反粒子 A = S1A1* + S2A2* R = | S1A1 * + S2A2 * |2 _
Si Ai : すべて実数（虚部＝0） → R = R
_
Si Ai が虚数の場合 → R ≠ R CP対称性の破れ
|A|
_
|A|
S1A1 = S1A1* S2A2 S2 の位相
S2A2* ペンギン・ダイアグラム
[由来:エピソード]
J.Elis が けに負けたら、
次の論文に「ペンギン」という
言葉を入れる約束をした。
結局、 けに負けて…
反原子核
2011年2月 BNL研究所（米国）
相対論的重イオン衝突型加速器RHIC
STAR実験
反ハイパー三重陽子
質量の最大記録を保持していた
反ヘリウム３より200ミリ電子ボル
トほど重い。
2011年4月
反ヘリウム４ 発見
反原子：反水素原子
ALPHA:
反水素分子を保持する
2010年11月：
38個の反水素分子を0.2秒保持
2011年6月
1000秒保持に成功
ASACUSA:
反水素分子のビーム
Nature Physics誌
(2011年6月5日）
Belle 実験