高エネルギー物理学概論KEK.ppt

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1、高エネルギー物理学特論岡田安弘（KEK)２００８．１．８広島大学理学部1素粒子論現在の素粒子物理学の最先端TeVスケールの物理２０世紀の素粒子物理(素粒子標準模型）ゲージ理論とクォーク・レプトン2目次距離とエネルギーと初期宇宙現代の素粒子像これからの素粒子物理ヒッグス粒子標準模型を超える物理3距離のスケール104m=10km1m10-4m=0.1mmわれわれが目で認識できる範囲の距離は８桁ぐらいにわたっている。KEKKEKBリング　一周約３ｋｍ41m10-4m104m10-12m10-20m10-28m10-36m1012m1020m1028m原子原子核大統一スケ

2、ール太陽系銀河系宇宙の見えている範囲地球の大きさコライダー実験のフロンティアプランクの長さ現在自然科学で扱っているスケール5エネルギーと距離の関係時間と空間の関係エネルギーと運動量の関係別の慣性系に移ることは時間軸と空間軸の“回転”に対応する。十分運動エネルギーが大きい場合はエネルギーよ運動量はほぼ同じ。xtx’t’特殊相対論6量子力学によるとミクロな世界では粒子は波の性質も示す。高いエネルギーの粒子短い波長の波小さな距離の世界を調べるためには、高いエネルギーの粒子をぶつける必要がある。量子力学7エネルギー（E)　～　運動量（ｐ）　～　１／波長　（ｘ）エネルギー　

3、～　１／距離陽子の質量　～陽子の半径　～相対論量子力学8加速器の発達と素粒子物理より細かい構造を見るためには高いエネルギーの加速器実験が必要となる。Livingston’splot9ビッグバン宇宙宇宙は約１３７億年前に高温状態から始まり、膨張とともに冷えてきた。その名残が２．７度Kの宇宙背景輻射として発見された。「距離」　「エネルギー」　「温度」　「時間」　の関係宇宙の始まりを知るには　小さな距離の物理法則を知らなければならない。10反粒子の存在相対論と量子力学の融合の重要な帰結。（Dirac方程式）それぞれの素粒子には質量が同じで電荷が逆の反粒子が存在する。電子

4、　⇔　陽電子陽子　⇔　反陽子エネルギーを与えれば粒子　反粒子　は対生成できる。対消滅もする。光子電子陽電子11現代の素粒子像物質の基本はクォークとレプトン四つの力のうち重力を除いた電磁力、強い力、弱い力はゲージ理論で表される。１９７０年代に提唱され現在までいろいろな実験的な検証を受けている。３世代分のクォークとレプトン12力はゲージ粒子によって媒介される。量子電気力学の一般化。くり込み可能性が主導原理となった。電磁力、弱い力、強い力それぞれに対応するゲージ粒子が導入される。ゲージ力ゲージ粒子クォークやレプトン13どのようにしてこの描像に到達したか：強い力中性子の

5、発見（１９３２）＝＞核力の導入原子核は陽子と中性子でできている。それらをクーロン反発力に抗してくっつけているには別の力が必要。ラザフォード散乱（１９１１年）原子核の発見原子の中心には小さな正電荷を持った核がある。14p中間子の発見湯川中間子の導入核力は中間子という粒子の交換によって生じる。力の及ぶ領域は粒子の質量の反比例する。　(１９３４年）１００MeV(=0.1GeV)程度の質量の粒子があるはず。力の到達距離　～　１/（湯川中間子の質量）陽子、中性子p陽子、中性子時間の進む方向15強い力の理論はこれで終わりではなかった。様々なハドロンの発見。ストレンジネスの量子

6、数の導入。様々な中間子やバリオンが発見　され、もはや陽子、中性子、π中間子などは最も基本的な粒子とは考えられなくなった。16クォーク、パートン模型ハドロンはクォークからできている。クォークをハドロンに閉じ込めている機構は何か？なぜハドロン中ではクォーク（パートン）は自由粒子のようにふるまうのか？17漸近的自由の性質を示すクォークの閉じ込めと短距離での力の振る舞いを両方説明する強い力の理論強い力の結合常数のエネルギー依存性ＴＲＩＳＴＡＮＬＥＰＬＥＰＩＩ長距離では引力が強くなりクォークの閉じ込めをおこす。Gross-Wilczek-Politzer(１９７３年）Qua

7、ntumChromodynamics(QCD)量子色力学クォーク閉じ込め電子・陽電子衝突グルーオン反クォーククォーク時間の進む方向18どのようにしてこの描像に到達したか：弱い力中性子の発見＝＞フェルミ理論(１９３４年）b線の発見弱い相互作用は１９世紀の終わりに元素の変換として発見される。b線　=原子核からの電子線原子核中の中性子が陽子と電子およびニュートリノに崩壊する。19Weakbosonの交換duWe湯川中間子と同様に弱い相互作用も粒子の交換で生じる。弱い力が弱くみえるのはW粒子の質量が大きいために力が働く領域が狭いため。π中間子の大きさ~10-13cm弱い

8、力の及ぶ範