2003.09.17 立命館大学福山研講演 1

粒子・エネルギー・空間

物質と宇宙に対する現代の考え方

長島順清

立命館大学理工学部福山研講演

２００５年１２月１日

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素粒子の標準理論物質の基本構成粒子はクォークとレプトンである。

基本粒子はゲージ場を通じて相互作用をする。

我々を取り巻く真空は、ある種の超伝導状態にある。

標準理論の出発点全ての基本粒子は本来質量ゼロを持ち

光速で飛び回っている。

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質量がゼロなら、右巻きと左巻き粒子は別種の粒子

世界は本質的に左右非対称である。

質量がゼロ 光速で飛ぶ

質量が有限 速度は光速以下

速度が光速以下ならば、かならずそれより速い観測

系が存在し、左巻きと右巻きは逆転する。

すなわち、同じ粒子が右巻きにも左巻きにもなり得る。

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宇宙がビッグバンから冷えるに従い、

真空に充満するヒッグス場が相転移を起こして凝縮する結果、

粒子の移動に引きずり効果が生じ質量が発生する。

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原始 全ての粒子は光速で走った

素粒子統一理論の考え

相転移したヒッグスの海に入ると

ジグザグ運動して遅くなる

平均的には

重い荷物を背負って走ることと同じ

質量獲得！！

真空の相転移

質量とはヒッグスの海による引きずり効果

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クォークと電子

物質の究極の構成要素

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物質を構成する４元素

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人はどこまでクォークか？

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物質の大部分は空虚な空間

人間の大きさ --> 10 光年原子の大きさ --> 地球サイズ陽子の大きさ --> ゴルフ場クォークの大きさ --> ゴルフボール

(バーナード星(6光年先)の惑星表面にあるゴルフボールを見ることに相当)

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質量の実体

クォーク固有の質量は全体の 1.3 %

残りの質量はどこにあるか？

物質は陽子とほぼ同じ質量の中性子でできている

陽子の重さ=938MeVu(d) クォークの重さ=3(6) MeV

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アインシュタインの特殊相対性理論

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空間自体がエネルギーを持つ

自然界の４つの力重力電磁力弱い力強い力

クォークには強い力が働く

（グルーオン場は電磁場に対応）

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質量を担う粒子はクォークとレプトン

ただし、我々が物質と思っている物の質量は

ほとんどが真空のエネルギー

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万物は全てエネルギーの一形態である．

E=MC2

エネルギーが ”空間的 時間的” に局在するとき

われわれはそれを粒子と呼ぶ一定量のエネルギーがつねに行動を共にするとき

われわれはそれを質量と呼ぶ

古典的には《真 空》とは粒子の存在しない無の空間

真空の再定義：エネルギーの基底状態

質量とは 真空とは？

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真空の再定義

真空とはエネルギーの最低状態

統一理論では、真空はヒッグス粒子(場)が

充満している、いわば物質みたいなものと考える

真空は無ではない！

真空はエネルギーを持つ。

温度の変化により相転移を起こす。すなわち

真空は変化する！

Nothing is something.Nothing has energy.

Nothing can change.

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真空の相転移概念を適用して

全ての力の統一が理解できる

統一理論の系譜

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最近の宇宙物理学の成果

Credit STScI

宇宙の組成重元素 0.03%

ニュートリノ 0.3%

星 0.5%

水素/ヘリウム 4%

暗黒物質 25%

暗黒エネルギー 70%

宇宙には未知の物質があった。

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熱いスープ

現代の宇宙像（ホットビッグバン）

宇宙スープのレシピ温度

3,000,000,000,000,000度で1秒間煮沸する

材 料クォーク 60 %レプトン(電子等) 10 %ニュートリノ 5 %グルーオン 12 %W,Z 8 %フォトン 2 %重力子 2 %ヒッグス 1 %隠し味 暗黒物質スープ 暗黒エネルギー

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一般相対性理論1

2Rµν- - gµνR = 8πGTµν

出力

アインシュタインは宇宙論を宗 教 から科学に変えた

（神の方程式）

1

2Rµν- - gµνR = 8πGTµν

入力

ホットビッグバン

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宇宙構造の成長過程インフレーション

ビッグバン

晴れ上がり

現在の宇宙

WMAP 背景輻射のゆらぎ

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宇宙構造の成長過程

（シミュレーション）

time

インフレーションビッグバン

晴れ上がり

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一般相対論： 重力は空間の曲がり

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Ｒ

宇宙は減速膨張するはずなぜなら物質の万有引力が引き戻すから

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宇宙の物質量と膨張速度

宇宙の大きさ

時 間150 億年

100

現在

ΩM = 物質密度 / 臨界密度

臨界密度： ρc= 0.95x10-29gr・cm-3

1 m3 に水素原子 ５個

ΩM > 1

ΩM = 1

ΩM <1

旧標準モデルの予言

開いた宇宙

閉じた宇宙

平坦な宇宙

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宇宙の行く末を支配する三つの変数宇宙の行く末を支配する三つの変数

一般相対性理論方程式＋宇宙原理

空間の幾何学, 物質密度， 真空エネルギー密度

ΩΚ ΩΜ ΩΛ

旧標準モデル: ΩΚ=0 ΩM=1 ΩΛ=0理由： 宇宙項=0という仮定＋インフレーション

ΩΚ ＋ ΩΜ ＋ ΩΛ ＝1 ΩK >0 閉じた宇宙ΩΚ =0 平坦宇宙ΩK <0 開いた宇宙

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曲がっている空間とは？

閉じた宇宙A+B+C>180

平坦な宇宙ユークリッド幾何学成立

A+B+C=180度

開いた宇宙A+B+C<180

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急速膨張で宇宙は平坦になる

インフレーション

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真空エネルギー？真空エネルギー？

水蒸気が水になるとき潜熱を解放

インフレーションはある種のヒッグス場（インフラトン）が、凝縮してホットビッグバン状態に変わる前に生じ、この時潜熱を解放する。

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真空エネルギーは真空エネルギーはインフレーションを起こすために必要インフレーションを起こすために必要

インフレーションが終わると、

真空エネルギーが解放されて

物質に転化し火の玉となる。

ビッグバンの始まり。

この真空エネルギーは

完全に消滅すると信じられていた。

７０

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真空エネルギーが残っているとすると

インフレーション期の真空エネルギー密度～10 90gr/cm3

と現在のエネルギー密度は～10-29gr/cm3

120桁の食い違い 宇宙項問題

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一般相対性理論方程式＋宇宙原理

最近の宇宙物理学では、精密測定が可能

この式をテストしてみよう

ΩΚ ＋ ΩΜ ＋ ΩΛ ＝1

（旧）標準モデル: ΩΚ=0 ΩM=1 ΩΛ=0

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宇宙空間の幾何学を知る方法

閉じた宇宙A+B+C>180

平坦な宇宙ユークリッド幾何学成立

A+B+C=180度

開いた宇宙A+B+C<180

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ガウス先生： 空間の幾何学を自ら調査

19世紀の測定

宇宙スケールの長さＤ

距離Ｌ開宇宙

平坦宇宙

閉宇宙tan = θ D/2

2 L

平坦宇宙ならば

現代の測定

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インフレーション

晴れ上がり

現 在

３０万年

140億年

背景輻射ノイズ(強度ゆらぎ)をフーリエ分解する

宇宙背景輻射

宇宙のサイズと誕生以来光速で拡がれる大きさ

当時の宇宙サイズ

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周波数

NHK1NHK2

TBS

ノイズ帯

ノイズを波の成分に分解

TV画面のサイズを測る

画面サイズは最大波長の1/2

周波数

NHK1NHK2

TBS

ノイズ帯

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BOOMERANG (背景輻射のゆらぎ）

2001

（観測）

シミュレーション

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ＷMAP強度相関の角分布

この山の位置が視角θ＝約１度に対応

宇宙は平坦だった ！

偏極強度相関

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結論１：結論１： 宇宙は平坦であった宇宙は平坦であった（無限で果てがない）（無限で果てがない）

次の課題

宇宙に物質はどれだけあるか？

４０

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宇宙の見える星の量宇宙の見える星の量

全宇宙では500億個

それでも見える星の量は

臨界質量の～0.5%

ハッブル望遠鏡で深宇宙を覗く

ここに3000個の

銀河

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現代天体物理のミステリー

暗黒物質の存在

暗黒物質とは正体不明の光らない物質

あちこちに塊となって存在するので、

重力効果で検知可能

～１９３０年頃から存在が知られる

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V (km/sec)

300

200

100

90´ 100´ 110´

暗黒物質の証拠： 例１（渦巻き銀河の回転速度）

アンドロメダ星雲(M31)の回転速度

ケプラーの法則

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暗黒物質の証拠：例２

(超銀河団内銀河の乱雑運動)

かみのけ座銀河団 2.9億光年

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暗黒物質の証拠：例３

(銀河団：乱雑運動と巨大Ｘ線源)

巨大銀河団MS1054-0321

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前方の銀河群により後方の像がゆがむ

レンズなし レンズあり

暗黒物質の証拠：例4 (重力レンズの分布)

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結論２：結論２： 物質量は臨界質量の３０％物質量は臨界質量の３０％

そのほとんどが暗黒物質

通常物質（主にバリオン）は5%

暗黒物質は通常物質ではない

最有力候補は，素粒子統一理論で予言する

ニュートラリーノ や アクシオン

注： ニュートリノは暗黒物質ではない

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一般相対論を信じるならば一般相対論を信じるならば

ΩΚ ＋ ΩΜ ＋ ΩΛ ＝1

観測： ΩM=0.3 ΩΚ=0

ΩΛは0ではない？

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何か何かががおかしいおかしい ？？物質密度の値が標準モデルと違う物質密度の値が標準モデルと違う

ようだようだ

解明の手がかりは？

宇宙の膨張率を見てみよう（遠くと近くの星の速度を比較する）

明るさの判っている標準光源が必要

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宇宙の膨張速度

宇宙の大きさ

時 間150 億年

100

ΩM > 1

ΩM = 1

ΩM <1

現在物質量 ΩM ~ 0.3

ΩM = 物質密度 / 臨界密度 ΩM = 0

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絶対光度が既知標準光源として最適

Ia 型超新星

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絶対光度が既知。 標準光源として最適

Ia 型超新星

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3週間前 超新星発見

引き算後

地上観測写真

ハッブル望遠鏡写真

Supernova1998baSupernova Cosmology Project

超新星の見つけ方

地上撮影より衛星撮影の方が鮮明

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超新星は、赤方遷移ｚの関数として、近傍 (z<1)で一度暗くなり、遠くで明るくなる

“宇宙初期には減速膨張、途中から加速膨張”

暗い

明るい

加速 減速

加速宇宙の証拠

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宇宙の膨張速度

減速

加速宇宙の大きさ

時 間150 億年

100

ΩM > 1

ΩM = 1（旧標準モデル）

ΩM < 1

Λ=0

Λ > 0Λ ＝宇宙項

ΩΜ ＝物質密度

現在

臨界密度 ρc=3H02/8πG = 0.9x10-29gr・cm-3

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Perlmutter Physics Today 56 No.4 (2003) 53

超新星の相対輝度 いず

れ収

縮

永遠に膨張宇

宙の

相対

スケ

ール

宇宙年齢 （単位１０億年）

始め

減速

膨張

後加

速膨

張

赤方

遷移

z

常に

減速

膨張

現 在

ビッグバン-137億年

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•重力は万有引力 物質は膨張を減速させる

加速度 = ー G X｛Ｍ（質量）＋３Ｐ（圧力）

加速宇宙は可能か？加速宇宙は可能か？

ニュートン アインシュタイン

負の圧力があれば加速に転じることは可能

宇宙項（真空エネルギー)は、

正のエネルギー・負の圧力を持つ

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結論３： 暗黒（真空）エネルギーが存在する

暗黒エネルギーとは、物質の形態をとらないで、一様に広がっている正体不明のエネルギーの総称(注： 暗黒物質はかたまりとして散在する)

暗黒エネルギーの候補： 宇宙項現代用語 宇宙項＝真空エネルギー

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アイタ！２重のミスだわい

暗黒エネルギーの正体 ？

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ΩΚ ＋ ΩΜ ＋ ΩΛ ＝1

ΩΚ=0, ΩΜ=1,ΩΛ=0 : 旧標準モデル

＋ 0.7 全てが整合＋ 0.30

平坦宇宙

曲率変数 物質密度 真空エネルギー密度

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宇宙論のあらゆる観測値が矛盾なく収束した宇宙論のあらゆる観測値が矛盾なく収束した

閉じる

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背景輻射

Ia型超新星

超銀河団

永遠に膨張

やがて収縮に転化

ビッグバンなし

物質密度ΩM

真空エネルギー密度（宇宙項）

ΩΛ

最適点

平坦

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物理学史上最大のミスマッチ物理学史上最大のミスマッチ

インフレーション期の真空エネルギー密度～10 90gr/cm3

と現在のエネルギー密度は～10-30gr/cm3

120桁の食い違い 宇宙項問題

真空エネルギー真空エネルギーが残っていた！！が残っていた！！

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宇宙の組成

Credit STScI

宇宙の組成重元素 0.03%

ニュートリノ 0.3%

星 0.5%

水素/ヘリウム 4%

暗黒物質 25%

暗黒エネルギー 70%

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宇宙論の新しいパラダイム宇宙論の新しいパラダイム

1. 宇宙は平坦である．

2. 宇宙のエネルギーの30%は物質で，

そのうち25%は，正体不明の暗黒物質

である．

3. 宇宙エネルギーの70%は，正体不明の

暗黒エネルギーである．

4. 宇宙は第２のインフレーション期にある？

--> 宇宙の行く末 ？

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暗黒物質の正体は？暗黒物質の正体は？

候補候補：超対称性粒子：超対称性粒子(SUSY)(SUSY)、アクシオン、アクシオン

銀河系内にも存在銀河系内にも存在地球は暗黒物質の海の中を泳いでいる。地球は暗黒物質の海の中を泳いでいる。

近いうちに見つかるだろう近いうちに見つかるだろう

暗黒エネルギーの正体は？暗黒エネルギーの正体は？

現時点では実験室での検証は不可能現時点では実験室での検証は不可能““真空真空””の理解を深めることが肝要の理解を深めることが肝要

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暗黒エネルギーの有力候補は宇宙項だが

新しい可能性は？

時間とともに変化する真空エネルギー

“quintessence”＝第５の元素

例： 真空にはヒッグス場が充満している素粒子標準理論

ヒッグスはクインテッセンスの一つの候補

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真空の正体を探る方法真空の正体を探る方法

2003.09.17 立命館大学福山研講演 67

見 る

2003.09.17 立命館大学福山研講演 68

真空エネルギーに浸かる

注： 地磁気エネルギー密度～ 106ｘ臨界密度

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物質のない真空であっても、電場があれば電圧計で電位を測れるので感知できる

元はといえば電荷が電場に力を受けることを使っている。

すなわち、場の存在は場と相互作用する物質があれば感知できる

2003.09.17 立命館大学福山研講演 70

ヒッグス電圧計

真空のヒッグス電圧を測る

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真空が電磁場で電圧計が使えな真空が電磁場で電圧計が使えないいこの時の真空は、電磁場の量子・フォトン

が仮想状態で沢山存在する状態

真空（仮想電磁場）にエネルギーを与えれば、フォトンは実体化する

e-+e+ γ+γ真空がヒッグス場の場合

e-+e+ H0

LHCでは 陽子の中のクォークを使う

q+q’ q+q’+g+g q+q’+H0+X

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9 km

LHC

レマン湖

CERN

ジュネーブ市

高エネルギー加速器 （素粒子製造、ビッグバン再生）

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LHC/ATLAS 34ヶ国150機関1850人

ヒッグス探索器： 真空エネルギーの解明

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反クォーク

クォーク

粒 子 反粒子

e+ e-

W+ W-

γ

γ

真空とは

ハイゼンベルグの不確定性原理ハイゼンベルグの不確定性原理

2003.09.17 立命館大学福山研講演 75

真空エネルギーの存在

2003.09.17立命館大学福山研講演76

素粒子論・宇宙論の謎質量発生メカニズム： ヒッグス場の凝縮暗黒エネルギーの正体？

真空とは何か？空間は何も無い単なる入れ物ではない。それ自体エネルギーを持つ物理的実体超紐理論では、時空は１０次元我々の住む空間(４次元)以外の余剰次元空間(６次元)に何が起きているか？

2003.09.17立命館大学福山研講演77

終わり終わり