ラザフォードの原子核の発見

α

線源

α線（Ｈｅ原子核）

1911年 弟子のガイガーとマースデンの実験

薄い金箔

ほとんどすり抜ける。たまに大角度に散乱される。

⇒ このモデルが正しい。 （土星型モデル）

検出器（シンチレータ）

スカスカ

素粒子実験の基礎手段の確立

2

素粒子実験の基礎手段

「ぶつけること」

TargetProbe

出て行く粒子をしらべる。

弾性非弾性

反応のおこりやすさ： 断面積 σ (面積の次元）

半径 r=fm 幾何的面積 3 * 10 -30 m2

バーン (b) = 10 -28 m2 = 100 fm2 (納屋)

dσ/dcosθ など 微分断面積をはかると反応の詳細が分かる。

あるかどうか程度しか分からない対象物の小さな構造を見るには

より短い波長で見る必要：

短い波長で物質を「見る」

波長

3

Probe

波長プランク定数

運動量～エネルギー

λ=ｈ

ｐ

短い波長 高いエネルギー

4

分解能

光学顕微鏡 光 光の波長 ～ 0.1ミクロン （＝10-7 m）

電子顕微鏡 電子 電子の波長 ～ １オングストローム （＝10-10 m）

LHC加速器 陽子 陽子の波長 〜10-19 m （原子核 10万分１）

100万倍程度 10-10m 水素原子！！

倍率1000倍程度

hitachi-hitec.com

5

クォークの発見

高速の電子

陽子にあてる

実際、原子核のサイズ 1 fm = 10-15 m 電子のエネルギー > 1 GeV(109eV)だと、 中がみえる。

ほとんど、スカスカ。。。たまに、大きく散乱

もし、陽子が「素粒子」だったら、大きさがない

点と点の反応（点といってエネルギーに応じて波の広がり）

h_bar c= 200MeV fm

弾性と非弾性

物質の階層性分子 原子 原子核 核子 素粒子

Ｈ２Ｏ水の分子

酸素原子

水素原子

中性子

u-クォーク

ｄ-クォーク

酸素原子核

陽子

電子

10-10 m 10-15 m < 10-19 m

（大きさはない）

原子核の大きさ10-15 m

原子と比較すると10万分の1

6

物質の階層性の将来

素粒子の座から引きずりおろされて、、 可能性も高い

u-クォーク

ｄ-クォーク

電子

7

加速器のエネルギーが高くなると 10-19m より小さい構造が見える。「歴史は繰り返す」

本当に大きさがないの？

サブクォークレプトン・クォーク

最小の長さの単位

Lp=√(h_bar・G/c3） = 1.6 *10-35m

物質の広がり l=h_bar / mc

ブラックホールになってしまう距離 シュバルツシルト半径R=2Gm/c2

R=ｌとしてとくと

→ 「ひも理論」

力を伝える素粒子 粒子を交換することで力が働く

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力 伝える素粒子 電荷 巨視的 届く距離 発見

電磁気 光子 電気の電荷 光 無限 1923コンプトン

強い力 グルオン 色電荷 10-15 m 1979DESY（東大も）

弱い力 W/Z粒子 弱い電荷 10-18 m 1983 CERN

重力 グラビトン エネルギー・P 重力波 無限 まだ

粒子の何が起源「電荷」

原理的に届く距離

NASA

9

コンプトン散乱

電子

光子 光子

電子

時間

電子

光子 光子

電子

空間

時間と空間は同じ

空間

時間

電子がきて光子をだして時間を逆方向に進んだ。

時間逆方向に進む電子？？

陽電子と電子が衝突消えて光が二つ

（陽電子）

電子・陽電子消滅

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クォークのレベル強い力

空間

時間

クォーククォーク

クォーククォーク

クォークレベルの弱い力

弱い力の電荷

陽子の中

電子

（加速エネルギーE)

- +1.5 ボルト

E=1.5 eV (電子ボルト）=2.4 x10-19 J

（速度 730 km/s 光速0.2%）

加速器

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超伝導最新加速器

→ これを１２桁高いところまで

（浅井著 ヒッグス粒子の謎より）CERN

円形加速器なので曲げる

陽子の方向

上向きの強力な磁場

陽子は左に曲がっていき

→ 運動量が大きくなると曲げるのが大変

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陽子 磁場

曲がっていく

超伝導で約１万アンペアの電流ながして 強力な磁石

よく見ると：トンネルが曲がっている

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(1) 加速器側から見たコライダーの種類

エネルギーフロンティアを実現するには、

[A]Fixed target ( ) と Collider ( )

Fixed target 14TeV Eb=10^5 TeV(0,0,Eb,Eb)+(0,0,0,m) ECM √2mEb

対称、非対称コライダー (0,0,E1,E1)+(0,0.-E2,E2) ECM=√4E1E2

（B実験 e- 8GeV e+ 3.5GeV Υ（4S)=10.58GeV)

実はHadronコライダーも非対称 （あとで）

àコライダーでないといけない。

[B]ＳＲとBending （電子・陽電子 vsHadron)

SR

Bending P(GeV)=0.3B[T]ρ[m]

€

2mEbeam

€

4Ebeam1Ebeam2

€

δE(MeV ) = 8.85 ×10−2E(GeV )4 /ρ(m)

Geneva空港

円周27kmのリング（地下約100m）

CERN

スイス側

フランス側

ジュラ山脈

1989-2000 LEP ee 2008-XXX LHC pp

曲率半径 ρ＝2.8km (18km+9km)

ハドロンコライダーの運動学ｘ：Bjorkenのx

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（１） ＥＷの物理 quark-反quark, quark-gluon, anti-quark- gluon のコライダー

(2) TeVの物理 quark-quark, gluon-quark コライダー

LEP ( large electron positron) 加速器(電子・陽電子）

電子と陽電子を衝突させる。重心系のエネルギーは、91GeV(Mz: Zボソンの量産)から 最高 209GeV

(1989年実験開始 2000年終了)

電子・陽電子を加速するための超伝導加速管（６ＭｅＶ／ｍ = 6keV/mm）ーーー＞ エネルギーはこれで決まっている(LCは、50MeV/m SR lossでなく一回ぽっきりで加速しなければならないので)

曲げる為の磁石１０００Ｇａｕｓｓくらい

普通の電磁石

ー＞ 強力な磁石が必要

相対性理論

時間と空間の統一 → 時空

L

L

x x

yL=√x2+y2

これを時間まで４次元に拡張

円や球

座標軸をまわす

４次元的な長さ

Px2+Py

2+Pz2-E2 = -m2

世界で最も有名な式

回転

ただの回転

時間と空間を区別しない

粒子の運動を「空間と時間」のグラフ用紙の上で考える

空間過去

未来

右左位置

時間

力を加えて運動量を与えている

運動量

空間

右左位置

時間 大きな力

相対性理論をとりんだ粒子の動き

時間

空間

過去

未来

右 左

電子 電子

陽電子

エネルギー

エネルギー

時間をさかのぼる粒子がいて当然＝ 反粒子

電子の反粒子＝陽電子

粒子＋反粒子→ エネルギー

エネルギー → 粒子＋反粒子

exp(-iEt)exp(-iPx)

E<0 exp(-iEt)=exp(-i(-E)(-t))

時空の中の粒子の運動

時間

空間

過去

未来

右 左

電子 電子

陽電子

エネルギー

エネルギー

空間過去

未来

右左位置

時間

空間過去

未来

右左位置

時間

運動量

運動量

空間座標 x,y,z ⇔ 運動量 Px, Py, Pz時間 t ⇔ エネルギー E

1932 アンダーソン：陽電子発見

陽電子 下から上へ

反物質の発見（実証されて物理学になる）

磁石：紙面上から下

どうして進んでいる方向がわかるの？

これがノーベル賞の鍵