現象解析研究センター 【名古屋大学 素粒子宇宙起源研究機構(KMI)】

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フレーバー物理学部門

タウレプトン物理グループ

スイスのヨーロッパ原子核研究機構(CERN)で行われているAtlas実験や、日本の高エネルギー加速器研究機構(KEK)のBファクトリー実験で得られた実験データをもとに、トップクォーク、ボトムクォーク、タウレプトンを探査針として、素粒子標準理論(以下、標準理論)の精密な理解、素粒子質量起源の解明や素粒子標準理論を超える現象の探索を行います。これらトップクォーク、ボトムクォーク、タウレプトンは第3世代の素粒子と呼ばれ、標準理論を越えた物理(新物理)現象に感度が高いと考えられています。

タウレプトン崩壊現象の研究では、標準理論で禁止されているタウレプトン崩壊が、新物理では許される崩壊の探索を行っています。世界最高統計量を誇るBファクトリー実験で生成、収集されたタウレプトン崩壊現象のデータを用いて標準理論の背後に隠れた新物理を追い詰めて行きます。

図:タウレプトンの典型的な新物理による崩壊(τ→μγ)。中間状態として未知の素粒子が媒介すると考えられている。

ボトムクォークを内包するB中間子の研究では、小林・益川両先生のノーベル賞受賞に直接的に貢献した小林・益川行列の測定に加えて、新物理が関与する現象の研究も精力的に行われています。タウレプトン同様、Bファクトリー実験で収集された世界最高統計量のB中間子のデータを用いて、独自のアイディアにより世界最高感度で新物理の探索を行っています。

図:荷電B中間子がタウレプトンとニュートリノに崩壊する過程。通常Wボソンと呼ばれる弱い力を媒介する素粒子を経ると考えられているが、未発見の荷電ヒッグス粒子による崩壊過程も存在すると期待されている。

CERNで行われているATLAS実験で測定される現象も本グループの研究対象です。世界最高エネルギー実験である特性を最大限に活用して、未発見の新粒子を直接捕まえようとしています。特に発見された中で最も若いトップクォークの関わる現象に研究の焦点を定めています。トップクォークそのものに関する物理量もその若さゆえ精度よく測定してゆく必要があり研究対象となっています。

図:トップクォーク対生成事象とトップクォークの荷電ヒッグスによる崩壊。我々が注目するトップクォーク、ボトムクォーク、タウレプトンが全て関わる事象としても興味深い。

宇宙素粒子起源グループ

宇宙素粒子起源グループは、宇宙線、宇宙暗黒物質、ニュートリノなど、宇宙と素粒子の融合研究を推進します。これらの研究は素粒子物理と宇宙物理にまたがる最前線となっています。

宇宙線は、宇宙から地球に降り注ぐ放射線ですが、どこまで高いエネルギーのものが存在しているのでしょうか? 最近の観測では、1020電子ボルトという超高エネルギーのものが見つかっています。これは地上の加速器で到達可能なエネルギーの8桁も上ですが、ここに「最高エネルギー宇宙線問題」と呼ばれている大問題があります。宇宙には宇宙背景放射と呼ばれるビッグバンの名残の光子が充満しており、宇宙線のエネルギーが4×1019電子ボルト以上になると、この光子と衝突して地球に届くまでにエネルギーを失ってしまうはずなのです。もし観測事実が本当ならば、宇宙で何か我々の思いもつかないこと、例えば相対性理論の破れや、未知の素粒子の反応などが起こっているのかもしれません。しかしながら、宇宙線のエネルギーを測るのは容易いことではありません。宇宙線が空気と衝突すると、たくさんの二次粒子をまき散らす「空気シャワー」が起こります。この二次粒子を測定して宇宙線のエネルギーを見積もるわけですが、宇宙線のエネルギーと二次粒子の関係はそれほどよくわかっていません。

この関係を明らかにしようとするのがLHCf実験です。LHCf実験は、太陽地球環境研究所をはじめとする国際共同研究グループによって提案され、LHCの稼働と同時にデータ収集を開始しました。LHCf 実験(fはforward, 前方の意味)は、高エネルギーに加速した陽子や原子核を正面衝突させた時に、最前方に放出される粒子に特化した測定を行います。
衝突の際、最前方に放出される粒子を理解することは、「空気シャワー」現象を理解するために非常に重要です。LHCfの実験データによって、超高エネルギー領域での素粒子反応を理解するとともに、1020電子ボルトの宇宙線のエネルギー測定が本当に正しいかを検証し、「最高エネルギー宇宙線問題」に決着をつけることができると期待しています。

 

図:高エネルギー宇宙線によって生成される「空気」シャワーのイメージ(左)とLHCf実験の概念図(右、図版提供CERN)。高エネルギーに加速した陽子や原子核を正面衝突させた時に、最前方に放出される粒子に特化した測定を行う。

宇宙には1cm³に300個ほどのニュートリノが存在し、ニュートリノの性質を知ることは宇宙の進化・物質の成り立ちを理解する上でも重要です。その質量は標準模型では0とされていましたが、名大の牧、中川、坂田により提唱されたニュートリノ振動現象を通じて、有限の値をもつことがわかってきました。ニュートリノ振動とは、3種類(電子型、ミュー型、タウ型)のニュートリノが相互に入れ替わる現象であり、スーパーカミオカンデ実験による大気ニュートリノの観測によって、ミュー型ニュートリノが他の種類のニュートリノに変身し減少していることが、最初に確認されました。

OPERA実験は、加速器により人工的に発生させたミュー型ニュートリノを730km離れた位置に設置した検出器で測定し、その減少を測定するのではなく、振動によってできたタウ型ニュートリノを直接捉えることで振動現象の存在を最終検証しようという実験です。ただし、タウニュートリノを検出し、その種類を同定することは容易ではなく、唯一可能な方法が、名古屋大学独自の技術として知られる原子核乾板を使った測定です。OPERA実験では、10万m²の原子核乾板を用い、これまでに1個のタウニュートリノ生成反応の候補を検出することに成功しています。今後事象数が更に増え、ニュートリノ振動に関するが確実な結論が得られるものと期待されます。また、この独自の原子核乾板技術を駆使した暗黒物質の探索など、新たな研究への展開を図っています。

 

図:OPERA実験の概念図(左)。CERNで生成したミュー型ニュートリノビームを730km離れたOPERA検出器で測定する。タウ型に変化したニュートリノの反応を原子核乾板中で捉える。右は2010年に検出された最初の反応。

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