素・核理論

素粒子・宇宙理論

教員

教授/日笠 健一 教授/山口 昌弘    
准教授/石川 洋 准教授/隅野 行成 准教授/高橋 史宜 准教授/綿村 哲  
助教/成子 篤 助教/堀田 昌寛 助教/山田 洋一 助教/横崎 統三  

研究について

素粒子物理は物質の究極の姿を対象とする分野であり、物質のもっとも基本的な構成要素である素粒子と、自然現象を支配するもっとも基本的な物理法則としての素粒子間の相互作用を研究するのが目的である。

素粒子物理の基礎となっているのは量子力学と相対論である。素粒子物理の対象は物質のミクロな構造であるが、短い距離を探ることは不確定性関係ゆえ高いエネルギー領域に対応する。素粒子物理が高エネルギー物理ともよばれるゆえんである。素粒子の物理法則を記述するのには相対論的な量子場の理論が用いられ、その中でもゲージ理論と呼ばれる理論は特に重要である。現在知られている基本的相互作用である電磁相互作用、強い相互作用、弱い相互作用、重力相互作用の4つのうち、重力以外の3つはゲージ理論でよく記述できることが知られている。この理論は標準模型と呼ばれるが、この理論の構築は20世紀後半の物理学における最も重要な達成の一つであると言っても過言ではない。

ゲージ理論が弱い相互作用を正しく記述するためにはゲージ対称性の自発的破れという現象が起こっていなければならない。これを引き起こすのがヒッグス粒子であり, これまでその探索が続けられていた。そしてついに2012年にヒッグスと思われる新粒子がLHC実験において発見された。翌2013年には標準理論のヒッグス粒子が持つべき相互作用, 崩壊過程, スピン, パリティと矛盾が無い事が明らかになった。今後この新粒子の性質について詳細に調べることで、標準模型の実験的検証および標準模型を超える新たな物理の探索が飛躍的に進むと期待されている。

標準模型に内在する理論的不満足さを解決するために, これまで種々の新たな物理が提唱されてきた。その中で、超対称理論と呼ばれる理論が注目を集めている。この理論は3つの相互作用を1つに統合する試みである大統一理論とも関係が深い。しかしこれらの理論に含まれる超対称性粒子の存在を示すはっきりした証拠は見つかっていない。別の可能性として、3次元空間以外の「余剰次元」空間の存在が物理法則を規定する可能性や、第2の強い相互作用が対称性の破れを起こす可能性もある。いずれの場合にも、TeVエネルギー領域に標準模型を超える物理が現われることが期待される。

標準模型を越える物理に関連した素粒子現象を探索するため新しい加速器の建設や既存の加速器の改良が行われており、高エネルギー最前線、精密測定の両方向での実験が計画されている。特に、昨年、本格的に始動したLHC 実検からは、未知の粒子の発見や新しい知見が得られるだろうと期待されている。一方、陽子崩壊の探索やニュートリノの質量・混合も大統一理論と関連する重要なテーマであり、神岡をはじめとする非加速器実験が成果をもたらして来ている。

重力はもっとも古くから知られた相互作用であり、古典論としては一般相対論という美しい理論が存在する。しかし、量子力学的な重力の理論は未完成である。また、重力の量子論的効果が重要になるのは宇宙のごく初期やブラックホールのような極めて特殊な場面に限られることも量子重力へのアプローチを難しいものにしている。量子重力理論の有力な候補として超弦理論がある。超弦理論は超対称性を重力まで拡張した超重力理論の有力な候補でもあるが、数学的複雑さのため解析が難しい。最近再び興味ある発展がなされており、それに関連して、ブレーン時空、ゲージ理論と重力理論の双対性、非可換幾何などの新たな可能性が追求されているが、いまだに多くの未解決の問題を含んでいる。

素粒子理論の基礎である場の理論はそれ自身数学的に興味深い性質を持っており、またその応用範囲も広い。現代数学の概念は素粒子物理に次々に適用されており、また逆に物理のアイデアが数学の発展をもたらす状況も生じている。これらの概念や手法は物性や生物物理にも応用が見出されている。特に、量子場の理論は凝縮系物理学の解析においても極めて有効であり、これを用いて新しい発見がなされている。

一方、素粒子はもっともマクロな構造である宇宙とも深く関わっている。宇宙初期の高温の時期には、素粒子が宇宙論の主役を演ずるためである。また、加速器実験では未踏の超高エネルギー領域の物理が宇宙進化に重要な寄与を与える。宇宙の誕生直後には、真空の大きなエネルギーによってインフレーションと呼ばれる急激な膨張が起こったと考えられている。この宇宙の急激な膨張の後に、真空のエネルギーが輻射として解放され、熱いビッグバン宇宙がはじまり、膨張による冷却といくつかの相転移を経て、今日の宇宙へと進化してきた。宇宙初期を研究するには素粒子理論の知識が必要不可欠であり、また、逆に初期宇宙の研究から、素粒子物理学に対して大きな知見が得られると期待される。こうした観点から素粒子物理学に立脚した初期宇宙の研究が、最近の宇宙観測の発展にも刺激されて活発に進められている。とりわけ、宇宙の組成の大部分を占める暗黒エネルギー、暗黒物質が素粒子の標準理論では説明できず、重力理論の変更の可能性までを含む新たな素粒子物理学を必要としていることは興味深いことであり、宇宙の組成を説明することはそこに住む我々にとって大きな課題である。

当研究室では、これら素粒子理論および素粒子的宇宙論の研究を広範囲に渡って行っている。以下に主なものをあげてみよう。


(1) 素粒子モデルの研究
標準模型に内包する問題であるエネルギースケールの階層性の問題を説明する超対称理論や余剰次元理論等の素粒子模型の研究、また、力の統一理論の研究を行っている。

(2) コライダーなどの高エネルギー現象の理論の研究
稼働中および計画中の高エネルギー最前線のコライダー実験における素粒子現象の理論的研究や、様々な精密測定における新現象の出現についての理論的研究を行っている。

(3) 超弦理論、量子重力理論、非可換幾何学などの研究
短距離での時空概念の拡張を目指し、超弦理論や非可換幾何学などの研究を進めている。また、超弦理論に基づく統一理論の構築を目指している。

(4) 場の理論とその応用の研究
非摂動的場の理論とその現象的応用の研究、特に量子ホール効果などの凝縮系物理との境界領域の研究を進めている。

(5) 初期宇宙の研究
素粒子物理学に立脚した初期宇宙の研究、とくにインフレーション模型、宇宙の密度揺らぎの種について研究、宇宙のバリオン数生成、超対称理論における暗黒物質の研究などを進めている。

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