現代基礎科学（第10回）／物理科学Ⅱ（第8回エキ...

現代基礎科学（第10回）／物理科学Ⅱ（第８回エキストラ）

“素粒子で探る 作る 楽しむ”“素粒子で探る・作る・楽しむ”

基礎科学科 物性科学分科

松田恭幸 (matsuday@phys.c.u-tokyo.ac.jp)

自己紹介自己紹介 松田恭幸（まつだやすゆき）：准教授：北海道出身 2008 4 から駒場に勤めています 2008.4 から駒場に勤めています

京大院→理化学研究所（98.4～08.3）→東大教養学部（08.4～）

教養学部基礎科学科（４月から統合自然科学科にも） 所属 総合文化研究科 相関基礎科学系 所属 おしゃべり好きです 物理をやっている実験系の研究者です 物理をやっている実験系の研究者です

自然界の基本的な法則に関心があります 主な活動場所

CERN（スイス） AD 施設 CERN（スイス） AD 施設 反水素の合成と、その分光による CPT 対称性の破れの研究

J-PARC（茨城県） MLF 施設 ミュオニウムの分光による標準理論の検証 ミュオ ウムの分光による標準理論の検証 超低速ミューオンビームの生成とその応用

ホームページ：http://radphys4.c.u-tokyo.ac.jp/~matsuday 居室は１６号館２２２Ａ号室です居室は 号館 号室 す

私たちの研究室私たちの研究室

「加速器で作られる様々な粒子とその束縛系を使って、

自然界の謎に挑む」

メンバー 松田(AP)、鳥居(A)、黒田(A)

大塚(M2)、田中(M2）、藤居(M2）、高木（M1）、田島（B4）

緒に研究している仲間たち 一緒に研究している仲間たち 理化学研究所基幹研究所 山崎原子物理研究室

広島大学理学部 ビーム物理研究室 広島大学理学部 ビーム物理研究室

東京理科大学理学部 長嶋研究室

東京大学理学部 早野研究室 東京大学理学部 早野研究室

高エネルギー加速器研究機構 物質構造研究所

高エネルギー加速器研究機構 素粒子原子核研究所

その他 いろいろ

人間の根源的な問い人間の根源的な問い

《我々はどこから来たのか 我々は何者か 我々はどこへ行くのか》 （ポ ル ゴ ギャン）くのか》 （ポール・ゴーギャン）

人類はこの問題を見つめ続けてきた：哲学・歴史・科学

物理屋さんはどう答えるのか？

我々は何者か我々は何者か

私たちの世界を作っているもの私たちの世界を作っているもの

11m

私たちの世界を作っているもの私たちの世界を作っているもの

1

身の回りの全ての物質は分子からできています

108m1m

私たちの世界を作っているもの原子核

私たちの世界を作っているもの

電子

1

身の回りの全ての物質は分子からできています

分子は原子が結びついてできています

1010m108m1m

分子は原子が結びついてできています原子の中心には原子核があり、その周りに電子があります電子はこれ以上小さく分けられません素粒子（レプトン）

私たちの世界を作っているもの原子核 陽子

私たちの世界を作っているもの

電子 中性子

1

身の回りの全ての物質は分子からできています

分子は原子が結びついてできています

1010m108m1m

分子は原子が結びついてできています原子の中心には原子核があり、その周りに電子があります電子はこれ以上小さく分けられません素粒子（レプトン）

原子核は陽子と中性子からできています陽子と中性子を結び付けているのが中間子です

私たちの世界を作っているもの原子核 陽子

私たちの世界を作っているもの

電子 中性子 クォーク

1

身の回りの全ての物質は分子からできています

分子は原子が結びついてできています

1015m1010m108m1m

分子は原子が結びついてできています原子の中心には原子核があり、その周りに電子があります電子はこれ以上小さく分けられません素粒子（レプトン）

原子核は陽子と中性子からできています陽子と中性子を結び付けているのが中間子です

陽子や中性子、中間子はクォークからできていますクォークはこれ以上小さく分けられません素粒子（クォーク）

私たちの世界を作っているもの私たちの世界を作っているもの

私たちの世界の物質はクォークとレプトンと呼ばれる素粒子からできています

tcu

クォ クンと呼ばれる素粒子からできています。

e

bsdクォーク

e

eレプトン

私たちの世界を作っているもの私たちの世界を作っているもの

私たちの世界の物質はクォークとレプトンと呼ばれる素粒子からできています ク ク

x2

tcu

ンと呼ばれる素粒子からできています。

陽子は u クォーク２つと d クォーク

１つからできています

クォーク

bsd

レプトン

e

e

私たちの世界を作っているもの私たちの世界を作っているもの

私たちの世界の物質はクォークとレプトンと呼ばれる素粒子からできています ク ク

tcu

ンと呼ばれる素粒子からできています。

陽子は u クォーク２つと d クォーク

１つからできています

クォークx2

bsd

中性子は u クォーク１つと d クォー

ク２つからできていますレプトン

e

e

私たちの世界を作っているもの

ク ク

tcu

私たちの世界を作っているもの

私たちの世界の物質はクォークとレプトンと呼ばれる素粒子からできています クォーク

bsdンと呼ばれる素粒子からできています。

陽子は u クォーク２つと d クォーク

１つからできています

レプトン

e

e 中性子は u クォーク１つと d クォー

ク２つからできています

原子は 陽子と中性子が結びついた

原子は、陽子と中性子が結びついた原子核と電子からできています

私たちの世界を作っているもの私たちの世界を作っているもの

私たちの世界の物質はクォークとレプトンと呼ばれる素粒子からできています

tcu

ク クンと呼ばれる素粒子からできています。

陽子は u クォーク２つと d クォーク

１つからできています

bsdクォーク

中性子は u クォーク１つと d クォー

ク２つからできています

原子は 陽子と中性子が結びついた

e

eレプトン

原子は、陽子と中性子が結びついた原子核と電子からできています

クォークとレプトンには、それぞれ対応

bdtcu

反クォークする「反粒子」があります。粒子と反粒子は反対の電荷を持ち、衝突すると両方とも消えてエネルギーに変わります。

e

bsd反クォ ク

方とも消えて ネルギ に変わります。それ以外の性質はまったく同じだと考えられています。

e

e反レプトン

我々は何者か：我々をつくっているのはクォークとレプトンです

我々はどこから来たのか我々はどこから来たのか 「ビッグバン」宇宙論

超高密度・高温・高圧の固まりから宇宙は進化をつづけて現在に至っ 超高密度・高温・高圧の固まりから宇宙は進化をつづけて現在に至ったと考えられています

137億年前、突然、「ビックバン」が起こり、宇宙が生まれました。このとき、ました。このとき、ありとあらゆる素粒子が作られました。

我々はどこから来たのか我々はどこから来たのか 「ビッグバン」宇宙論

超高密度・高温・高圧の固まりから宇宙は進化をつづけて現在に至っ 超高密度・高温・高圧の固まりから宇宙は進化をつづけて現在に至ったと考えられています

10-37秒ほど経ったとき、宇宙は急激な膨張「インフレーション」を経験します。

インフレーションが終わった時、宇宙は、密度がほぼ一様で、密度がほぼ 様で、クォークと反クォーク、レプトンと反レプトン ゲージボゾントン、ゲ ジボゾンが混然一体となって存在していました。

我々はどこから来たのか我々はどこから来たのか 「ビッグバン」宇宙論

超高密度・高温・高圧の固まりから宇宙は進化をつづけて現在に至っ 超高密度・高温・高圧の固まりから宇宙は進化をつづけて現在に至ったと考えられています

10-5秒ほどたったとき、膨張を続ける宇宙の温度が冷え、クォーク、反クォークォ ク、反クォクとグル―オンはバラバラではいられなくなります 陽れなくなります。陽子や反陽子、中性子や反中性子、中間子という粒子が間子という粒子が生まれました。

我々はどこから来たのか我々はどこから来たのか 「ビッグバン」宇宙論

超高密度・高温・高圧の固まりから宇宙は進化をつづけて現在に至っ 超高密度・高温・高圧の固まりから宇宙は進化をつづけて現在に至ったと考えられています

ビッグバンから100秒ほど経つと、宇宙の温度はさらに冷え、陽子や中性冷え、陽子や中性子が結び付いて電子核を作るようになりますなります。

我々はどこから来たのか我々はどこから来たのか 「ビッグバン」宇宙論

超高密度・高温・高圧の固まりから宇宙は進化をつづけて現在に至っ 超高密度・高温・高圧の固まりから宇宙は進化をつづけて現在に至ったと考えられています

そして３０万年ほど経つと宇宙の温度が3000度にまで下がり、電子が原子がり、電子が原子核と結び付いて、「原子」を作るようになりますになります。

我々はどこから来たのか我々はどこから来たのか 「ビッグバン」宇宙論

超高密度・高温・高圧の固まりから宇宙は進化をつづけて現在に至っ 超高密度・高温・高圧の固まりから宇宙は進化をつづけて現在に至ったと考えられています

宇宙の中に漂う原子は、次第に重力によって集まり、ビッグバンから１０ビッグ ンから１０億年ほどたったころ（およそ127億年前） 最初の星が前）、最初の星が生まれたと考えられています。

我々はどこから来たのか我々はどこから来たのか 「ビッグバン」宇宙論

超高密度・高温・高圧の固まりから宇宙は進化をつづけて現在に至っ 超高密度・高温・高圧の固まりから宇宙は進化をつづけて現在に至ったと考えられています

４６億年前：太陽系の誕生の誕生

４０億年前：生命の誕生

５００万年前：人類 ５００万年前：人類の祖先の誕生

２０万年前：ホモサピエンスの誕生ピ ンスの誕生

１万年前：農耕文明の始まり

４００年前：近代思 ４００年前：近代思想の始まり：「我思う、ゆえに我あり」（デカルト）

我々はどこから来たのか：「ビッグバン」に始まる宇宙進化の流れにのって来た

なぜ我々は存在するのかなぜ我々は存在するのか

137億年前の「ビッグバン」のとき、粒子と反粒子は同じ数だけ生成されたと考えられていますと考えられています。

１３７億年も経っているうちに、粒子と反粒子は衝突してしまって、消滅してしまわなかったのでしょうか？

それとも、宇宙のはるかかなたに反物質（反粒子からなる物質）だけで出来ている星や銀河があって、距離が遠すぎるから衝突しないのでしょうか？だとしたら 地球の周りに少しぐらいは反物質が飛んできてしょうか？だとしたら、地球の周りに少しぐらいは反物質が飛んできているでしょうか？

反物質が本当に少ないなら、粒子と反粒子の性質にわずかながらの違いがあるのでし うか違いがあるのでしょうか？

ＣＰ対称性の破れと物質・反物質の謎ＣＰ対称性の破れと物質・反物質の謎

２００８年度ノーベル物理学賞：小林・益川

クォークが３世代以上ある場合に、ＣＰ対称性が破れることを予言しました

離散対称性離散対称性

パリティ（Ｐ）変換は座標を全て反転させることです

チャージ（Ｃ）変換は、電荷を全て反転させることです

タイム（Ｔ）変換は 時間を反転させることです タイム（Ｔ）変換は、時間を反転させることです

これらの変換に対して、自然の法則が形を変えないとき、その法則はその変換に対して対称である（対称性を持つ）といいます変換

例えば、ニュートンの運動方程式 F = ma は、座標を全て反転させても形を変えません。つまり、パリティ変換に対して対称です

全ての物理法則はＰ変換にもＣ変換にもＴ変換にも対称だと思われていました

離散対称性の破れ離散対称性の破れ

1956年、Wu と Garwin が原子核のβ崩壊におけるパリティの破れを発見

1957年、理論的に「弱い力」でパリティが破れている可能性を指摘していた L と Y がノ ベル物理学賞を受賞指摘していた Lee と Yang がノーベル物理学賞を受賞

1964年、Fitch と Cronin がＫ中間子の弱崩壊におけるＣＰ対称性の破れを発見るＣＰ対称性の破れを発見

1980年、この発見に対して、ノーベル物理学賞を受賞

2008年 理論的にＣＰ対称性の破れを説明した小林 益川に 2008年、理論的にＣＰ対称性の破れを説明した小林、益川にノーベル物理学賞

ＣＰ対称性の破れと物質・反物質の謎ＣＰ対称性の破れと物質・反物質の謎

２００８年度ノーベル物理学賞：小林・益川

クォークが３世代以上ある場合に、ＣＰ対称性が破れることを予言しました

このＣＰ対称性の破れを用いて、現在の宇宙の粒子と反粒子の数現在 宇宙 粒子 反粒子 数の非対称性を説明する試みがあります

しかし、残念ながら、小林・益川理論だけで粒子と反粒子の数の非対称性を説明することは、現在まで出来ていません

別のメカニズムによるＣＰ対称性の破れ？

ＣＰＴ対称性の破れ？

ＣＰＴ対称性の破れＣＰＴ対称性の破れ

ＣＰＴ対称性命が等 粒子と反粒子の質量、寿命が等しいことを予言します

これまで電子やＫ中間子とその反粒子の質量の違い、Ｋ中間子やミューオンとその反粒子の寿命の違いを調べることで検子やミュ オンとその反粒子の寿命の違いを調べることで検証されてきました

これまでにＣＰＴ対称性の破れは見つかっていません

通常の「場の量子論」では破られないことが証明されています

でも ず と高い ネルギ スケ ルでは（宇宙が生まれてす でも、ずっと高いエネルギースケールでは（宇宙が生まれてすぐなら）破れていてもいい

「超弦理論」で破れていてもいい 超弦理論」で破れていてもいい

他の方法でも確かめたい！

反陽子ヘリウム原子の分光反陽子ヘリウム原子の分光

ヘリウム原子リウム原子核の周りを電子

反陽子ヘリウム原子リウム原子核の周りを反陽 ヘリウム原子核の周りを電子

がまわっている ヘリウム原子核の周りを反陽

子がまわっている

2

0

2

22 42

Ze

nmEn

このイオンの分光をすれば、反陽子の質量がわかるはず

陽 質量と う陽子の質量と比べよう

反陽子ヘリウム原子の分光反陽子ヘリウム原子の分光

ヘリウムの中に反陽子を打ち込んでも すぐに消滅しないで 準安定でも、すぐに消滅しないで、準安定な「反陽子ヘリウム原子」を作るものがあります

この原子の準位をレーザー分光することで、反陽子の質量を測定し、陽子の質量と比較します陽子の質量と比較します

現在m/m < 7x10-10

（私たちのグループ（ASACUSA）が世界記録を持っていて、現在も世界記録更新中です）

ですが 実は陽子の質量の精度も ですが、実は陽子の質量の精度も10-10 程度なので、そろそろ限界が近づいています

水素と反水素水素と反水素

水素原子陽子と電子が結び付いてでき

反水素原子反陽子と反電子（陽電子）が 陽子と電子が結び付いてでき

る一番単純な原子（物質） 反陽子と反電子（陽電子）が

結び付いてできる一番単純な反原子（反物質）

性質に差があるのでしょうか？性質 差 ある しょう

反水素の超微細構造分裂の測定反水素の超微細構造分裂の測定

水素原子を作っている陽子と電子は、ともに電荷とスピンを持っています電荷とスピンを持っています

スピンを持つとは、例えば自転しているようなものです

電荷を持った粒子が自転しているので、陽子も電子も「磁気モーメント」を持ちます。

水素原子の基底状態（1S状態）は この磁 水素原子の基底状態（1S状態）は、この磁気モーメント同士の相互作用によってわずかに分裂しています

HF(H)= 1, 420, 405, 751.766 7± 0.000 9 Hz（１３桁の精度！）

反水素ではどうでしょう？

（測定実験装置建設中）

超微細構造分裂

（測定実験装置建設中）水素原子のエネルギー準位

反陽子の作り方反陽子の作り方

さて、反水素や、それを作るために必要な反陽子は、そもそもどうやって作るのでしょう？作るのでしょう？

有名なアインシュタインの式 E=mc2 は質量がエネルギーに変わり得ること、エネルギーが質量に変わり得ることを表しています

陽子を加速し、大きな運動エネルギーを持った陽子を、止まっている陽子にぶつけ、反陽子を作ることができます

+ + + +p + p p + p + p + p この反応を起こすには、陽子を 6GeV （６０億電子ボルト）以上に加速する

必要があります。私たちはＣＥＲＮ（欧州原子核研究機構）の加速器を必要 あり す。私 （欧州原 核研究機構） 速器を使って反陽子を作り、研究しています。

ＣＥＲＮ（欧州原子核研究機構）ＣＥＲＮ（欧州原子核研究機構）

ＣＥＲＮはスイスジュネーブ郊外にあり、世界でもっとも大きい研究所の一つです ここでは大きいものから小さいものまで 数々の陽子加速器や電つです。ここでは大きいものから小さいものまで、数々の陽子加速器や電子加速器があり、さまざまな研究がすすめられています。

私たちは AD （反陽子減速器）で反陽子を使って研究しています

ＣＥＲＮと反物質ＣＥＲＮと反物質

ＣＥＲＮでの反物質研究は、最近映画のネタになっちゃいました

ウ ドが見る 物質 究は ハリウッドが見る反物質研究は…

「天使と悪魔」（Sony Pictures Entertainment, 2009 : provided from CERN)

ＣＥＲＮと反物質ＣＥＲＮと反物質

ＣＥＲＮでの反物質研究は、最近映画のネタになっちゃいました

ウ ドが見る 物質 究は ハリウッドが見る反物質研究は…

実際の実験施設は…

陽電子蓄積装置

陽電子

反陽子蓄積装置

反水素合成装置反陽子

反水素合成装置反陽子

実験装置の概略図実験装置の概略図 反水素を作るためには、反陽子と陽電子を「やさしく」くっつけてあ

げなくてはなりません。そのための独自の超低速反陽子ビーム生げなくてはなりません。そのための独自の超低速反陽子ビ ム生成装置、低速陽電子ビーム生成装置を開発してきました

～100eV 陽電子

藤居甲基（Ｍ２）くん

～100eV 陽電子

～150eV 反陽子

カスプ磁場を用いた反水素ビームの生成カスプ磁場を用いた反水素ビームの生成

反水素原子は電気的に中性なため 電場を使って力性なため、電場を使って力を及ぼすことができません

そのため、生成された反水素原子は 方八方に飛び素原子は四方八方に飛び散ってしまいます

しかし、反水素原子は磁気気モーメントを持つため（小さな磁石として働くので）磁場から力を受けます。私た

中心ではB=0(極小磁場配位)

反水素が作られる領域

場 力を受けます。私ちは、カスプ型磁場と呼ばれる形の磁場を使って、四方に飛び散る反水素原子方に飛び散る反水素原子を収束してビームとして取りだそうと考えています。世界初の試みです世界初の試みです

反水素ビームを用いた HFS分光実験反水素ビームを用いた HFS分光実験

反水素ビームをカスプ磁場から取りだした後、RF キャビティと六重極磁石を用いて HFS分光を行う予定です。

大塚未来（Ｍ２）さん大塚未来（Ｍ２）さん

反水素ビームの生成に向けての進展反水素ビームの生成に向けての進展

2010年夏にカスプ磁場中での反水素の合成に成功し、反水素ビームの生成に向けた一歩を踏み出しました。

2011年には、反水素ビームを用いた分光を行うべく、ＲＦキャビティと磁石を設置し、来年の夏の実験に向けて準備を進めています

Collaborators（2011）Collaborators（2011）この実験は ASACUSA 国際共同実験の一環として行われています

MUSASHI グループ（低速反陽子ビーム生成と CUSP トラップによる反水素生成）

東大院総合文化：

大塚未来、黒田直史、高木聡、田中香津生、鳥居寛之、藤居甲基、松田恭幸大塚未来、黒田直史、高木聡、田中香津生、鳥居寛之、藤居甲基、松田恭幸

東大新領域：

齋藤晴彦

理化学研究所：理化学研究所

金井保之、永田祐吾、毛利明博、山崎泰規、Daniel Murtagh、Stefan Ulmer

広大先端研：

櫻井翔太、桧垣浩之櫻井翔太、桧 浩

東理大院理：

長嶋泰之, 満汐孝治

高エネルギー加速器研究機構：

柴田政宏

Univ. of Brescia:

N.Zurlo, L. Venturelli, E. L. Rizzini

Collaborators（2011）Collaborators（2011）この実験は ASACUSA 国際共同実験の一環として行われています

MUSASHI グループ（低速反陽子ビーム生成と CUSP トラップによる反水素生成）

東大院総合文化：

大塚未来、黒田直史、高木聡、田中香津生、鳥居寛之、藤居甲基、松田恭幸大塚未来、黒田直史、高木聡、田中香津生、鳥居寛之、藤居甲基、松田恭幸

東大新領域：

齋藤晴彦

理化学研究所：理化学研究所

金井保之、永田祐吾、毛利明博、山崎泰規、Daniel Murtagh、Stefan Ulmer

広大先端研：

櫻井翔太、桧垣浩之櫻井翔太、桧 浩

東理大院理：

長嶋泰之, 満汐孝治

高エネルギー加速器研究機構：

柴田政宏

Univ. of Brescia:

N.Zurlo, L. Venturelli, E. L. Rizzini 赤字：大学院生・ポスドク

＝中心になって仕事をしている人たち

追記追記 映画「天使と悪魔」では、反物質が爆弾として使われる可能性につ

いて言及していましたいて言及していました 実はこのネタはとても古い：“さらば宇宙戦艦ヤマト”（30年前？）では反

物質で出来ている世界に住むテレサがラストで敵に自爆攻撃をかけていますす

広島に落とされた原爆のエネルギーは約 5x1013J だそうです 反陽子１個が対消滅して生じるエネルギーは約 3x10-10J です 映画に出てくる爆弾（バチカンを吹き飛ばす威力）が広島型原爆の 映画に出てくる爆弾（バチカンを吹き飛ばす威力）が広島型原爆の1/10 だとしたら、反陽子を1022個(100万個の１億倍の１億倍）集めなくてはなりません私たちが実験で使う反陽子は100万個程度です 私たちが実験で使う反陽子は100万個程度です この数の反陽子が対消滅して生じるエネルギーは 3x10-4J ～10-4

cal、つまり、1ml の水の温度を 0.1度上げる程度です

在 科学技術 物質を ネ ギ 蓄積 （ま ）爆弾 使う 現在の科学技術で反物質をエネルギー蓄積や（まして）爆弾に使うことは非常に困難です

水素と反水素とミュオニウム水素と反水素とミュオニウム

水素原子 ミュオニウム 反水素原子

最も単純な原子 レプトンのみからなる水 最も単純な反原子 最も単純な原子

非常に精密な分光データと理論計算

レプトンのみからなる水素様原子

スペクトルの構造は水素原子に類似

最も単純な反原子

エネルギー準位が水素原子と違えば、 （陽子 構造 確かさ 陽子の構造の不確

かさが理論計算の不確かさに最も寄与

素原子に類似

陽子の構造を考慮する必要がない

子の構造の不確かさに依らずに）大発見！

不確かさに最も寄与 必要がない

水素（様）原子の精密分光水素（様）原子の精密分光

水素様原子の精密分光は、これまでに物理学の発展の上で大きな役割を果たしてきました

ボーアの原子模型（←量子力学）

ディラック方程式（←相対論的量子論）

ラムシフト（←場の量子論）

細構造 ピ 超微細構造（←スピン）

“水素を理解することは、物理学の全てを理解することである”（ヴィクタ ウェイスコプフ)（ヴィクター・ウェイスコプフ)

“物理学者の予言がいつも正しいのには理由がある。彼らは水素原子を計算し ヘリウムイオンを計算したら そこで止め水素原子を計算し、ヘリウムイオンを計算したら、そこで止めてしまうのだ”（リチャード・ファインマン）

最近の状況（水素原子）最近の状況（水素原子）

水素原子の精密分光

1S-2S transition: 2 466 061 413 187 074(34)Hz (0.013ppt)←100兆分の1の精度です

Fi h t l PRL92 230802(2004) Fischer et al. PRL92, 230802(2004)

事実上「陽子の構造」を求める実験となっている

2S 準位の HFS と 1S 準位の HFS を両方測定することで 2S 準位の HFS と 1S 準位の HFS を両方測定することで「陽子の構造」を（ほぼ）キャンセル可能

最新の実験値:48923(54)Hz

(Kolachevsky et al.

PRL102, 213002(2009))

理論とよく一致している（実験の

不確かさが理論よりも大き ）不確かさが理論よりも大きい）

最近の状況（ミュオニウム）最近の状況（ミュオニウム）

ミュオニウム原子の精密分光

1S-2S transition: 2 455 528 941.0(9.8)MHz (4.0ppb)

Meyer et al. PRL 84, 1136 (2000)

「陽 構造 を考慮 れる必 がな 「陽子の構造」を考慮にいれる必要がない

R∞ と を与えられたものとすると、ミュオンの質量は

現在のレーザー技術と J-PARC のビーム強度ならば、さらに１桁程 現在のレ ザ 技術と のビ ム強度ならば、さらに 桁程度の精度の向上が見込める

やろうかな…でも、実はあまり「おいしく」ない

最近の状況（ミュオニウム）最近の状況（ミュオニウム）

ミュオニウム原子の精密分光 HFS transition: =4 463 302 765(53)Hz (12ppb)

Liu et al. PRL 82, 711(1999)

と を与えられたも とすると(CODATA 2006) R∞ と を与えられたものとすると(CODATA 2006)

こ ちのほうが 1S 2S 分光よりも「おいしい やろうかな こっちのほうが 1S-2S 分光よりも「おいしい」：やろうかな

現時点で、理論的な計算値と実験値はズレていない

ズレがあれば それは現在の素粒子理論には含まれていない粒子 ズレがあれば、それは現在の素粒子理論には含まれていない粒子（例えば超対称性粒子、マルチヒッグスなど）を間接的に捉えたことになる

構造を持たない粒子からなるミュオニウムは調べるのに最適

ミュオニウム HFS 分光実験ミュオニウム HFS 分光実験

無磁場での基底状態の分裂を測定するのでは

e

分裂を測定するのではなく、強磁場中での 12, 34 を測定する34

（ミュオンのスピンの向きをプローブとして使うため）ため）

12+34 = HFS 12~1 9GHz (at 1 7T) 12 1.9GHz (at 1.7T) 34~2.6GHz (at 1.7T)

両方の周波数に共鳴するような RF キャビティを用いる

RF キャビティ制作中RF キャビティ制作中

田中香津生（Ｍ２）くん

Collaborators（2011）Collaborators（2011） 東大院総合文化

田中香津生、田島美典、鳥居寛之、松田恭幸

高エネルギー加速器研究機構

下村浩一郎、豊田晃久、斉藤直人、佐々木憲一、菅野未知央、三部勉

“素粒子で探る・作る・楽しむ”素粒子で探る・作る・楽しむ

私たちは加速器で作られる粒子（反陽子やミュオン）を使って、普通はない原子（反水素 反陽子ヘリウム原子 ミュオニウム）を作り その性質をい原子（反水素、反陽子ヘリウム原子、ミュオニウム）を作り、その性質を調べることで、自然の性質を調べています

ということで“探る”“作る”はお分かりいただけたと思います。

もちろん私たちはこうした研究を“楽しんで”います。

でも、あまり“楽しんで”聞いてもらえなかった方…

だって、反陽子やミューオンでゲームはできないじゃん

はい ゲ ムはできません でも ゲ ムをするための電気を作ることは はい、ゲームはできません。でも、ゲームをするための電気を作ることはできるかも知れません

核融合反応核融合反応 重水素と三重水素（トリチウム）の原子核が反応してヘリウム４と中性子

になる反応は エネルギー源として最も有望な核融合反応として世界各になる反応は、エネルギ 源として最も有望な核融合反応として世界各国で研究が行われています。

D + T 4He + n + 17.6MeVところが プラスの電荷を帯びた原子核と原子核の間には強いク ロン斥 ところが、プラスの電荷を帯びた原子核と原子核の間には強いクーロン斥力が働きます。この反応を起こすには、クーロン斥力に打ち勝つだけのエネルギーを D や T に与える必要があります。

超高温 数億度）のプラズ を作り 熱 ネ ギ でク 斥力に打 超高温(数億度）のプラズマを作り、熱エネルギーでクーロン斥力に打ち勝つ方法 代表例：トカマク方式（JT-60、ITERなど）

高温で超高圧状態を作り、熱と圧力でクーロン斥力に打ち勝つ方法

代表例：レーザー慣性核融合方式（激光、NIF など）

核融合反応核融合反応 重水素と三重水素（トリチウム）の原子核が反応してヘリウム４と中性子

になる反応は エネルギー源として最も有望な核融合反応として世界各になる反応は、エネルギ 源として最も有望な核融合反応として世界各国で研究が行われています。

D + T 4He + n + 17.6MeVところが プラスの電荷を帯びた原子核と原子核の間には強いク ロン斥 ところが、プラスの電荷を帯びた原子核と原子核の間には強いクーロン斥力が働きます。この反応を起こすには、クーロン斥力に打ち勝つだけのエネルギーを D や T に与える必要があります。

超高温 数億度）のプラズ を作り 熱 ネ ギ でク 斥力に打 超高温(数億度）のプラズマを作り、熱エネルギーでクーロン斥力に打ち勝つ方法 代表例：トカマク方式（JT-60、ITERなど）

高温で超高圧状態を作り、熱と圧力でクーロン斥力に打ち勝つ方法

代表例：レーザー慣性核融合方式（激光、NIF など）

どれも大変ですどれも大変です

クーロン斥力に打ち勝たずに核融合を起こせないでしょうか

ミューオンを使ってできます

ミュオニック原子ミュオニック原子

さきほど「反陽子ヘリウム原子」の話をしましたが、同じように、水素原子の原子核の周りに 負の電荷をもったミュオンがまわっている原子をミュの原子核の周りに、負の電荷をもったミュオンがまわっている原子をミュオニック原子と呼びます。

は電子のおよそ２００倍重い粒子です。

ミュオンの軌道半径は電子の軌道半径のおよそ 1/200 になります

この原子をうまく使って核融合を起こすことができます

ee

p

p

水素原子参考：ミュオニウム原子 ミュオニック水素原子水素原参考 ウ 原 ク水素原

ミュオン触媒核融合の原理ミュオン触媒核融合の原理

先ほど説明したように、通常なら D と T の間には強い斥力が働き、近づくことができませんとができません。

ところが がトリチウムの周りを回っている T 原子は、外から見ると「電気的に中性」です。D のすぐそばまで近づいても斥力を感じません。気

TD T

TD

4He

n

ここで、DT 分子が作られますが、このとき D と の距離は普通の DT分子のおよそ しかなく、すぐに核融合が起きるのです。分子のおよそ しかなく、すぐに核融合が起きるのです。

反応のあと、 が残されますが、この は近くのトリチウム原子に捉われると、また次の反応を引き起こします。こうして一つの が次々と核融合反応をおこします これが「ミ オン触媒核融合反応」です この反応は が応をおこします。これが「ミュオン触媒核融合反応」です。この反応は がsecの寿命で崩壊するまで続きます。

このミュオン触媒核融合では、クーロン斥力に打ち勝つために高温や高圧にする必要がありません。手軽な核融合です。

ミュオン触媒核融合ミュオン触媒核融合

右の図はミュオンが次々と核融合反応を起こす様子を描いたものです反応を起こす様子を描いたものです。

一つのミュオンで１２０回程度の核融合反応を起こさせることに成功しています。これがエネルギー源になるには、この１０倍以上も効率を上げなくてはなりません。げなくてはなりません。

私たちは、様々な条件を変えながらげ効率を上げるための研究を理化学

研究所、高エネルギー加速器研究機構と共同ですすめています

もしかしたら、将来はミュオン触媒核

融合発電所ができているかも？

まとめまとめ

私たちの周りの物質を作っている粒子（陽子、中性子、電子）以外の素粒子（反陽子 ミュオンなど）も 原子を作ります子（反陽子、ミュオンなど）も、原子を作ります

そうした原子の性質をうまく使えば、宇宙生成の謎に迫ったり（反水素の分光によるＣＰＴ対称性の探求）、標準理論を超える現象の探索を行ったり（ミュオニウム原子の精密分光）、もしかしたらクリーンなエネルギーを作り出すことができる（ミュオン触媒核融合）かも知れません

日本に新しい加速器 J-PARC ができました。この加速器を使って、ますますこのようなエキゾチックな粒子を使った研究が進むと期待されています。

明日の新しい研究分野を拓くのは

あなたがたかも知れません！あなたがたかも知れません！

人間の根源的な問い人間の根源的な問い

《我々はどこから来たのか 我々は何者か 我々はどこへ行く か》 （ポ ゴ ギ ）くのか》 （ポール・ゴーギャン）

残る課題：我々はどこに行くのか残る課題：我々はどこに行くのか

科学が決めることではない～むしろ哲学・文明論の範疇 しかし 科学（技術）はこれからも我々の強力なパ トナ であり続 しかし、科学（技術）はこれからも我々の強力なパートナーであり続

けるだろうことは確実：科学技術を活用せずに２１世紀（以降）の人類の将来はない 大地震と大津波（への対策の欠如） 福島原発事故など “現時点での科 大地震と大津波（への対策の欠如）、福島原発事故など、 現時点での科

学技術”の限界を知らしめる出来ごとが多く起こった年でしたが、それをもって“科学”そのものを悲観観してはならないと思います

東京大学教養学部の理念 主体的に考え続ける市民を育てたい（自分たちもなりたい！）

科学的な思考法を身につけていること 科学的な思考法を身につけていること 専門知識＋広い視野・関心を持つこと 異なる専門分野・バックグラウンドを持つ人ともコミュニケーションできる

ことこと

「一つ屋根の下」に文系・理系問わずに様々な研究分野の人が集まり、交流する場を作ることが大切

みなさんに期待してます！みなさんに期待してます！

基礎科学科２年生へ：レポートについて基礎科学科２年生へ：レポートについて

この講義“素粒子で探る・作る・楽しむ” のレポート提出期限は 月 （月）と ますは１月１６日（月）とします

提出場所は１５号館１階１０７Ａ教務事務室

レポート課題：この講義の感想等、自由に書いてください

Ａ４用紙に学生証番号と氏名を必ず記入して提出すること。枚数 形式は自由 言語は日本語または英語枚数、形式は自由。言語は日本語または英語。

講義 を後 ホ ペ ジ 載 ます 講義のトラぺを後日ホームページに載せます

http://radphys4.c.u-tokyo.ac.jp/~matsuday

質問があ たら遠慮なく16号館２２２Ａ号室 または 質問があったら遠慮なく16号館２２２Ａ号室、またはmatsuday@phys.c.u-tokyo.ac.jp までどうぞ