高エネルギー物理学分野

高エネルギー物理学分野
私たちの体や宇宙を形作る究極の最小単位はなんだろうか?そして、これらの究極の構成物質はどのようなダイナミクスで作用しあっているのだろうか?

素粒子物理学(高エネルギー物理学)は自然のもっとも根元的な姿を追い求めています。現在,その研究は粒子加速器という謂わば「顕微鏡」により,原子の1億分の1程度の小ささまで「見る」ことができます。より小さな世界を見るため,粒子加速器には,粒子を加速し衝突させ,より高いエネルギー状態を作り出すことが求められています。この高エネルギー状態は小さな「ビッグバン」を再現しています。小さな世界を見ることは,ビッグバンに始まる宇宙の成り立ちを解明することにつながります。宇宙を創る実験,それが粒子加速器です。

本研究室が建設に参加したミュー粒子トリガーシステム。
本研究室が建設に参加したミュー粒子トリガーシステム。

高エネルギー物理学研究室は世界最大で最高エネルギーを作り出す粒子加速器LHCを用いた国際協同実験の一つであるATLAS実験に参加し,測定器の中でミュー粒子検出を担うシステムを国際協力の下で作り上げました。2012年には,過去50年にわたって探し続けてきたヒッグス粒子の発見に貢献しました。ヒッグス粒子は宇宙の成り立ちに影響を与え,「質量とは何か」という基本的な問題に答える粒子です。

 ILCの概念図。
ILCの概念図。

本研究室は,将来の加速器実験を見据え,LHCでは解明が難しいヒッグス粒子の特性の精密測定などを目指している次世代の線形加速器ILC計画に参加し,そこで用いられる測定器の開発研究も行なっています。衝突実験で生成した粒子のエネルギーを高精度で測定する測定器の開発研究を行なっています。

蛍光物質から光を検出する半導体光検出器の拡大写真。
蛍光物質から光を検出する半導体光検出器の拡大写真。

粒子加速器実験で用いられる測定器は放射線検出器ですが,放射線検出器は医療や工業など,広く社会で用いられています。本研究室では,粒子加速器実験向けの検出器を開発してきた経験を生かし,PET装置など核医学分野に用いられるガンマ線検出器の性能向上を目指した基礎研究を行なっています。

興味を持たれた方は,高エネルギー物理学研究室のウェブページ
(http://hepl.shinshu-u.ac.jp)もご覧下さい。

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竹下 徹
竹下 徹 Link 教授
加速器実験はタイムマシンだ 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。
長谷川 庸司
長谷川 庸司 Link 准教授
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 探し求めていたヒッグス粒子が発見され、標準理論が大成功を収めました。これが契機となり、標準理論を超える新しい時代の扉が開かれようとしています。

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世界最大の粒子加速器は300兆個の陽子のエネルギーを7兆電子ボルトに加速します。全エネルギーは次のどの運動エネルギーに近い?

1.20km/hで走る人
2.60km/hで走る自動車
3.110km/hで走る新幹線
3.110km/hで走る新幹線

7兆電子ボルトは約100万分の1.12ジュールに相当します。陽子1個のエネルギーは大変小さいですが、約300兆個もあるので、この個数をかけると約3億4000万ジュールになります。時速110kmは秒速30.6mですから、新幹線の運動エネルギーは1/2×700000kg×(30.6m/s×30.6m/s)=3億3000万ジュールになります。
スイスのジュネーブにあるヨーロッパ合同原子核研究機関(CERN)では、世界最大の粒子加速器である大型ハドロン衝突型加速器(LHC)を用いた実験が行われ、2012年にヒッグス粒子を発見しました。LHC加速器では、周長約27kmの円形の2つの真空のパイプの中で、それぞれ反対向きに、約300兆個の陽子を約1100億個の陽子が含まれるの塊(バンチ)、2808個に分割して加速します。時速115kmの新幹線が正面衝突すると大変なことになりますが、バンチとバンチが1回交差する際に、殆どの陽子はすれ違い、陽子同士の正面衝突は数十回しか起こらず、衝突に関わるエネルギーは高々1万分の1ジュールと大変小さいので、「大事故」にはなりません。

宇宙は138億光年の大きさに膨張してきましたが、この膨張によって、将来太陽と地球の距離は?

1. 広がる。
2. 変化しない。
3. 縮む。
2. 変化しない。

宇宙膨張は空間の拡張であり、重力で結びついた銀河系などの存在の間の空間が広がることを意味します。従って、重力で結びついた銀河内のすきまは広がりません。太陽と地球の間の距離も宇宙膨張に従って広がることはありませんし、原子間や、原子核と電子の距離も変化しません。

宇宙は極微の大きさで初まり、138億光年の大きさに膨張してきました。この先宇宙の大きさはどうなっていく?

1. 広がりつづける。
2. 変化しない。
3. 縮む。
1. 広がりつづける。

宇宙膨張は、現代の観測によると 永遠に膨張し続けると示唆されています。従って答えは(1)です。宇宙は背景輻射と呼ばれる、ビッグバンからの急激な膨張すわなち温度が下がる過程で、30万年程度たった頃に安定な水素原子が形成されました。その前は光子と電子と陽子がお互いに衝突し合った状態であった考えられています。電子と陽子がくっついて水素原子に成ってしまった目、取り残された光子はその後漂い(といっても光速で)続け、今に至っています。当時3000度K相当の高温状態であった光子は宇宙膨張の空間の拡張とために波長が伸びて今では3度Kになり、宇宙のあらゆる方向から同じ強さで観測されています。これを宇宙背景放射と呼んでいます、この宇宙背景放射の観測から、宇宙は永遠に膨張し続けると考えられています。

宇宙が初まって138億年と言われていますが、粒子は初めから質量を持っていた?

1. 初めから質量を持っていた。
2. ある時、突然質量を持った。
3. 徐々に質量を持ってきた。
2. ある時、突然質量を持った。

宇宙はその初まりの時には、エネルギーのみが存在しました。素粒子物理学の標準理論によれば粒子は、質量は持っていませんでした。質量がないということは、光速=3x108 m/s で走り回っていたことを意味します。
宇宙の初まりでから10-11秒後に宇宙は変化しました。その結果すべての粒子は現在の質量を得ました。このとき関与したのがヒッグス粒子です。このヒッグス粒子の存在を予言したヒッグス博士とアングレール博士は2013年のノーベル物理学賞を受賞しました。また宇宙のこのような変化が現れ、より安定な状態に変ることを言い出したのは、南部陽一郎博士で、2008年にノーベル物理学賞を受けています。このように宇宙はダイナミックな変化を伴い変わってきました。