1869 年、ロシアの化学者メンデレーエフは、 63 種類うまく並べて周期表を提唱し、当時まだ発見されていなかったいくつかの元素の存在を予言した。

1. 東邦大学理学部公開講座　2008「究極の素粒子を求めて」LHC計画物質の重さの起源のヒッグス粒子はもうすぐ発見されるか?2008.9.13 ＠東邦大学東邦大学理学部客員教授　近藤敬比古 （高エネルギー加速器研究機構名誉教授）

2. 1869年、ロシアの化学者メンデレーエフは、 63種類うまく並べて周期表を提唱し、当時まだ発見されていなかったいくつかの元素の存在を予言した。 素物質の数の変遷　→　素の数=63

3. 周期律表　縦の覚え方 周期律表　横の覚え方 • 水兵リーベ　僕の船、 名前あるシップス。クラークか、 • H He Li Be BCNOFNeNaMgAl Si P S ClAr K Ca • ランラン♪セーラー服、ぷるぷる胸を。午後は澄まして、 • La Ce Pr Nd Pm Sm Ｈでリッチなけい子、ルビーせしめフランスへ。 H Li NaKRb Cs Fr ベッドにもぐって、彼女とするのはバラ色さ。 Be Mg Ca SrBaRa http://www.jergym.hiedu.cz/~canovm/vyhledav/varian20/jap3.html　より

4. 1897：J.J. トムソン（英）電子の発見 ２０世紀は物理の時代！ 1906 1908 1922 1911：E. ラザフォード(新）原子核の発見 1913：N. ボーア（丁）原子模型を提唱。 素の数 = ３ (陽子と電子）

5. 加速器の発明 1929：E. ローレンス（米） サイクロトロンの発明 1939 1951 from Lawrence's 1934 patent. 1945：シンクロトロン E. マクミラン（米） V. ベクスラー（露） （ネプツニウム の発見） KEKの 12GeV 陽子シンクロトロン（1975～2006） E. マクミラン

6. シンクロトロンの原理 エネルギーに比例して磁場の強さを上げる。 高周波加速空洞 （電場サーフィン） 磁場の向き proton 運動＝力 磁場 力 電流 フレミングの左手の法則 （私は「宇治電」と憶えた。右 手は発電、左手はモーター）

7. 加速器の発達 LHC 加速器のエネルギー(対数目盛) 陽子の質量 0.938 GeV (ジェブ） 1950年 2000年

8. 素粒子で使うエネルギーの単位 予備知識 e V (electron-Volt) = エレクトロンボルト（電子ボルト） 粒子の重さ（質量）は　E = mc2を使ってエネルギー単位で示す。例として 目で見える光のエネルギー 2 eV X線のエネルギー 1 keV テレビの電子線エネルギー 10 keV 電子の重さ me 0.51 MeV 陽子の重さ mp 938 MeV LHCの陽子ビーム 7000 GeV 一匹の蚊の重さ 1000000000000000000000 GeV MeV(メブ） =10 6eV GeV(ジェブ）=10 9 eV TeV（テブ） =10 12eV 100Vの電極で電子を加速すると 100 eVになる。 mp×NA = 1 グラム (NA=アボガドロ数=6.02×1023)

9. 高エネルギー実験 加速されたビームで新しい粒子を作る。 エネルギーが高いほど重い粒子をできる。 E = mc2 1921 太陽・原子力 高エネルギー物理 A. アインシュタイン エネルギー質量等価則 （光電効果）

10. アルベルト・アインシュタイン語録　 フリー百科事典『ウィキペディア』より 簡単な数字や記号を記憶することが苦手だった。 新聞インタビューで、光速度の数値を答えられず 「本やノートに書いてあることをどうして憶えておかなければならないのかね？」 とあるパーティーでマリリン・モンローから 「私の美貌とあなたの頭脳をもった子供ができたら、どんなに素晴らしいでしょう」と言われた。彼は 「私の顔と、あなたの知能をもつ子供が生まれるかもしれませんよ」と切り返した。 自分の相対性理論に関しては、 「熱いストーブの上に一分間手を当ててみて下さい、まるで一時間位に感じられる。では可愛い女の子と一緒に一時間座っているとどうだろう、まるで一分間ぐらいにしか感じられない。それが相対性です」 「無限なものは二つある。宇宙と、人間の愚かさの二つだが、前者については断言できない」

11. 検出器の例：泡箱（バブルチェンバー） あわばこ 1960 ビ ｜ ム CERNでは3.7mの水素泡箱BEBC（左）を使って600万枚の写真（右）が撮られた。 （過飽和状態の液体に粒子を通すとバブルができる） D. グレーザー（米）

12. 素粒子バブル時代 1937 ミューオン 1947 パイオン 1950 中性パイオン >1951 1955 反陽子の発見 1950 (原子核乾板） 1959 C. パウエル（英） 素の数 ＞　１００ E.セグレ・O.チェンバレン（米）

13. クォーク模型 • 1955 坂田モデル　：　p,n,Λが基本粒子 • 1964 M.ゲルマン他によるクォーク模型 1969 u s d アップ　　　　ダウン　　　ストレンジ M.ゲルマン（米） クォークの名の由来： 「フィネガンズ・ウェイク」(ジェイムズ・ジョイスの小説）の中の鳥がquark, quark, quark,と３回鳴いたというところから取った。

14. u u u u u u u u s s s s d d d d d d d アップ　 　ダウン　 　　 ストレンジ 統計問題→各クォークには３つの「色」を持っている。 π+ K- - - 陽子 中性子 素の数 = 3！

15. 1869 相当簡単になった。 しかし まだ完成してない。 1995

16. ちから 　（そうごさよう） 物質の間には力（相互作用）が必要 1949 粒子を交換することによって力が伝わる。 1935 湯川の中間子理論 中間子を交換して引き合う。 ほんとうは中間子でなかったが力の概念が革新的だった。 n p+ p+ n 湯川秀樹（日）

17. ４つの力　と　力を伝える粒子 強い力　　　　　電磁気力　　　　弱い力　　　　　重　力　　　　　　　　　　　　　 グルーオン　　　　　光　　　　　 Ｗ、Ｚ粒子　　　 グラビトン スピン１　　　　　１　　　　　　　　　１　　　　　　　　　２ 相対性理論ー＞ 超重力理論など 「標準理論」が確立した。 みな性質が似ている→起源が同じだろう。

18. 標準理論その１：量子電磁力学（QED)の成功 e’ e e g 粒子 粒子 1940年代　くりこみ理論 朝永・ファインマン・シュビンガーは計算の中に出てくる無限大を回避する方法を開発した。 →　精密な計算が可能になった！ ・例：電子の異常磁気能率 仮想状態 1965 S. 朝永　R. ファインマン　J. シュビンガー 「量子電磁力学の分野 における基礎研究」 無限大は仮想状態の 無限の和から起きる。 実験も計算も実に大変だがこたえはひとつ！

19. u u s s d 標準理論その２：量子色力学（QCD)の成功 d • 　問題点１）　クォークは決して裸（単独）で存在しない。 • 　問題点２）　強い力は短距離でしか働かない。 2004 （答）クォークは３種の色を持ちグルーオンを交換する。 クォークが離れるほど力が強まる（ゴムひも）←漸近的自由性 - D.グロス, D.ポリッツアー, F. ウィルチェック - - 「強い相互作用の理論における漸近的自由性の発見」

20. 標準理論その３：弱い力を介するW,Zに質量がある。標準理論その３：弱い力を介するW,Zに質量がある。 • 　問題点３）　Ｗ、Ｚ粒子に質量がある。 • 　問題点４）　クォーク・レプトンに質量がある。 パリティの破れ 弱い力は左がお好き 1979 （答）　ヒッグス場が宇宙に存在し、Ｗ、Ｚ粒子やクォーク・レプトンの質量を作る。←　「ゲージ対称性の自発的対称性の破れ」 電弱理論　（GSW理論) ・方程式はゲージ対称のままだが 　真空はその対称性を破っている。 ・ヒッグス粒子が必ず最低１種類 　存在しなくてはならない。 S.ワインバーグ, A.サラム, S.グラショー　 「電磁相互作用と弱い相互作用の統一理論への貢献、特に中性カレントの予想 」

21. Glashow-Weinberg-Salam 理論 [1] S. Wenberg, Phys. Rev. Lett. 19 (1967) 1264

22. 自発的対称性の破れ 法　　　則　：　対称性を守る 物理状態　：　対称性を破っている 例：磁性体： 方程式は回転対称。しかしキューリー温度Tc以下で磁化の方向が揃い、回転対称性が破れている。どの方向が選ばれるかはspontaneous（自然発生的）である。

23. 現 実 の 世 界 真 空 の 対 称 性 が あ る 場 合 光 速 光 速 光 速 よ り も 遅 い 光 速 よ り も 遅 い 抵 抗 抵 抗 レ プ ト ン ク オ ー ク レ プ ト ン ク オ ー ク 抵 抗 光 W 光 光 速 W 光 速 光 速 よ り も 遅 い ヒ ッ グ ス 場 の 海 ヒッグス場による質量（重さ）の創生 • 真空はヒッグス場で満ちている。 • W/Z粒子やクォーク・レプトンは、ヒッグス場に 引かれ運動にブレーキがかかり質量をもつ。 • 光はヒッグス場と結びつかず質量 = 0 のまま。

24. R.ブラウト , F. エングラー , P.ヒッグス なぜGSW理論は画期的か？ ・1971年トフーフトがGWSの電弱理論がくりこみ可能であることを証明し、計算の無限大を回避できた。 ・全ての実験結果とぴったり一致する。 G.トフーフト, M.ベルトマン 1999 「電弱相互作用の量子構造の解明」 注：なぜヒッグス粒子と呼ぶか？ 1964：スピン１で質量=0のゲージ粒子と自己相互作用をもつスカラー粒子があるとき、自発的に対称性の破れが起こると、ゲージ粒子が質量を持つ。これは数学であり、弱い相互作用に応用したのが S. ワインバーグと A. サラムである。 言い出したのはP. ヒッグスのほか数人いるのになぜか「ヒッグス粒子」と呼ばれるようになってしまった。

25. 現代の周期表 ヒッグス粒子のみ未発見。この発見がLHC計画の目的。

26. ＣＥＲＮ研究所　 CERN 欧州20カ国による合同研究所 1954年発足、年間予算：１千億円職員数：2500人、ユーザー: 9000人 CERNはウエブ（Web）の誕生地 Tim Berners-Lee氏は、実験チームの情報交換のため、1990年暮れにWebの開発に成功した。 CERN ジュネーブ

27. LHC（大型ハドロン衝突加速器） 周長 27km 地下深度～100m 2007年完成 7 + 7 TeV = 14TeV 陽子・陽子衝突 (山の手線の周長は約32km)

28. CERN研究所(CERN.wmv)

29. LHCの加速器と主な実験装置 C M S実験 トンネル周長 26.6 km エネルギー 7 TeV ルミノシティ(輝度)1034 cm-2s-1 ダイポール電磁石1232台 アリス実験 LHCb実験 アトラス実験

30. 超伝導マグネット 超伝導電磁石の断面図 ・２つのビームパイプ。 ・1.9 K （-271℃）まで冷やす。 1232台の超伝導マグネット（二極）を使って陽子ビームを曲げる。 磁場は8.33テスラ。

31. LHC加速器の建設　(magnetＴｏＲｉｎｇ.wmv)

32. LHC計画の進捗状況と近未来予定 • 2006.11 最後のLHC超伝導マグネット納入。 • 2007.2LHC超伝導マグネットの検査を終了した。 • 2007.4LHCの８分の１の1.9 K冷却に成功した。 LHC超伝導マグネットが全て地下運搬された。 • 2008.8.8 ビーム入射（時計回り）に成功した。 • 2008.8.22 ビーム入射（反時計回り）に成功した。 • 2008.9.10 ビームのLHCリング一周に成功（世界に放映）。 • 2008 .10-1110 TeVの陽子・陽子衝突実験を開始する. • 2009.春 14 TeVの陽子・陽子衝突実験を開始する。 ビーム状況　http://lhc-first-beam.web.cern.ch/lhc-first-beam/Welcome.html

33. 2008.9.10 ビームのLHCリング一周に成功（全世界放映） http://cdsweb.cern.ch/record/1125916 ←クリックして上映 ビーム状況　http://lhc-first-beam.web.cern.ch/lhc-first-beam/Welcome.html

34. 2008.9.10 ビームのLHCリング一周に成功（世界に放映）。 ビームの位置モニター（らしい）　１周分 青（時計回り）に約１時間 赤（反時計回り）に３時間 ビーム状況　http://lhc-first-beam.web.cern.ch/lhc-first-beam/Welcome.html

35. アトラス実験で見えた最初のビームイベント 2008.9.10 10.19.10 CEST

36. 地下実験室で建設中のアトラス実験装置　　2005年11月地下実験室で建設中のアトラス実験装置　　2005年11月 （超伝導ソレノイド＋中央カロリメターを中心に移動する直前）

37. アトラス実験の建設　(ATLAS_construction.wmv)

38. 　グリッド　 アトラス実験の年間データ量 5 PB(ペタバイト=1015バイト) 世界に分散する計算機センターに送る。 使う計算機が自動的に割り当てられる。

39. ヒッグス粒子発生のシミュレーション p p → H → Z Z → μ+ μ- μ+ μ- (yellow tracks).

40. ヒッグス粒子発見はいつか？ 発見可能性はヒッグス粒子の質量 mHに依存する。 ３年後 ２年後 積分強度（ルミノシティ）　fb-1 １年後 ただし 加速器の 調子に依る。 100 200 500 1000 ヒッグス粒子の質量 mH(GeV)

41. 階層性問題 ヒッグス粒子の質量mHは大きな量子効果を受ける。 プランクエネルギー 1019GeVまで新物理がない場合は、 mHの量子補正= 1,000,000,000,000,000,000 GeV mH = 200 GeV クォークやゲージ粒子には問題ない。 V V H H H H

42. 超対称性粒子 さらに未知の世界へ挑戦 超対称性：フェルミ粒子（スピン1/2）とボーズ粒子（スピン0,1）を入れ変えても自然は変わらない。 ヒッグス粒子の質量の大きすぎる量子補正をキャンセルできる。 未発見！ またバブル再来か？！

43. 最近分かってきた宇宙の組成 暗黒エネルギー　74 % 銀河の回転速度 銀河団の運動 超新星の観測 暗黒物質 22 % 光を出す通常物質 4 % 宇宙背景放射(WMAP)

44. 暗黒物質（ダークマター） 特徴 ・ 光を出さない->中性。 ・ （ほとんど）他と交わらない。 ・ 重さを持つ。 ・寿命は宇宙年齢以上。 衝突した２つの銀河団 　　赤色：見える物質 　　青色：暗黒物質 暗黒物質の３次元分布図 （重力レンズ効果を観測）

45. ビッグバン中に暗黒物質の生成・消滅反応が凍結する。その時の宇宙膨張率と反応率から暗黒物質の残存量が計算できる。観測される暗黒物質の量は、暗黒物質の粒子質量が１ TeV程度であることを示唆している。→　ＬＨＣで生成できる！ 暗黒物質 の候補 ニュートラリーノ 未発見！

46. 1 TeV付近に超対称性粒子群があれば、 ３つの力が1025 eV付近で一点に交わる！　　 大統一理論 観測値 LHCで到達できる部分

47. BigBang 現在 磁力 ヒッグス粒子 ＱＥＤ電磁力 電気力 電弱理論 SUSY粒子 弱い相互作用 弱い力 大統一理論 ＱＣＤ 強い力 地上重力 重力 天体重力 理解できた領域

48. 階層性問題の 新解決策 余剰次元（Large Extra Dimension） 電弱スケール 1016 プランクスケール 他の３つの力 ４＋２次元の重力 　力の強さ　 ・重力のみ余剰次元にはみ出す。 ・余剰次元が 0.1mmだと、TeV領域で他の３つの力と同じ強さになる。 ・マイクロブラックホールがLHCで生成される？ ニュートン重力 エネルギー

49. LHCで10-12秒後までさかのぼる！

50. ま　と　め • 人類はメンデレーエフの周期表から100年余を経て、より根源的な周期表にたどり着いた。しかし１つだけ穴がある。 • 標準理論は量子色力学と電弱理論からなり、 ３つの相互作用を正確に記述する。粒子の質量はヒッグス場によって作られ、ヒッグス粒子が存在するはずである。 • LHCでは14TeVの陽子・陽子衝突を実現しヒッグス粒子を発見する。LHC加速器と実験装置を１５年かけて完成した。 • ３日前（2008年9月10日）にLHCビーム数周に成功した。 • 標準ヒッグス粒子を1～3年で発見する。超対称性粒子や余剰次元など新しい物理を探索し力の統一を目指す。暗黒物質が何か解明する可能性が高い。 • LHCは宇宙開闢から１兆分の１秒の頃の物理法則を研究する。