研究室紹介

”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?”

素粒子物理学は自然のもっとも根元的な姿を追い求めています。そして今その研究は,粒子加速器といういわば「顕微鏡」により原子・分子の1兆分の1程度の大きさまで探求する事ができます。さらに小さな世界を見るため,より高いエネルギーの粒子衝突による探索実験が求められています。高エネルギー物理学研究室の研究分野は素粒子(高エネルギー)物理学実験で,主に,

  • 衝突型粒子加速器を用いた素粒子物理学の実験的研究と
  • 放射線検出器の開発と応用研究

を行っています。

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ATLAS実験で観測されたヒッグス粒子生成事象の候補。ヒッグス粒子が2つのZボソンに崩壊し,それぞれのZボソンが2つのミュー粒子に崩壊したと解釈できます。赤い線がミュー粒子の飛跡を再構成したものです。私たちの研究室が建設に貢献した

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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。

ILC1

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加速器計画の国際リニアコライダー(ILC)計画(右図:予想図。全長約30km,電子と陽電子を500GeVまで加速します。)に参加し,そこで用いられる測定器の開発研究も行っています。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っています。

MPPC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っています。(右図:シンチレーション光などの光を検出する半導体検出器MPPCの拡大写真。ピクセル構造を持ちその部分の大きさは1mm×1mm。)

本研究室では,現在の宇宙の姿を解明するための実験にも参加しています。宇宙誕生の瞬間,その膨大なエネルギーの中で粒子と反粒子は対生成と対消滅を繰り返していました。宇宙が膨張し冷えていくと対生成と対消滅は起きなくなりました。このとき,粒子と反粒子は同数存在していたはずですが,現在の観測では粒子によって形成される物質のみで反物質はほとんど見つかりません。反粒子はどこに行ってしまったのでしょうか?私たちはこの疑問に答える鍵の一つと して粒子と反粒子とでは従う物理法則が少しだけ違うというCP対称性の破れを考えています。

このCP対称性の破れを説明する理論の一つが小林益川理論です。この理論は3世代,6種類のクォークがそれぞれCKM行列と呼ばれる3行3列の行列に従い世代間混合を起こすことでCP対称性の破れが起きると予言しています。

CP対称性の破れを精密に測定しこの理論の検証を行うため,茨城県つくば市にある高エネルギー加速器研究機構(KEK)において,電子陽電子衝突型加速器KEKBにより大量のB中間子を生成させる素粒子実験を行っています。この加速器は世界最高のルミノシティ(粒子生成能力)をもち,年間数億個の B中間子を生成することからBファクトリと呼ばれています。このKEKBの唯一の検出器である Belle(ベル:bクォークの別名「Beauty =美」の意のフランス語)は高頻度の粒子入射に対応し,CP対称性の破れを精密に測定します。この実験の成果は,小林博士,益川博士の2008年のノーベ ル物理学賞受賞に大きく貢献しました。さらには,B中間子の稀崩壊を観測する事で,素粒子標準理論を越える理論の検証にも取り組んでいます。

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