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粒子線とレーザーの科学： I 反物質の世界

山崎泰規. 粒子線とレーザーの科学： I 反物質の世界. １． Introduction ２．反物質ことはじめ ３．どうやって作るか ４．なにを見ると面白いか：対称性、大きな違いと小さな違い 5. まとめとこれから. レポート：２回出席とレポート. 1g の反物質があると・・・. 1g の物質と消滅し、 10 14 Joule のエネルギーを出す＝ 100 万 kW の原子力発電所 1 日分（ 100Mt-TNT ） 世界の総発電量 10 20 Joule/yr  世界の電灯を１分！ 反山崎で 1 ヶ月. エネルギー変換効率の比較 ( D M/M).

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粒子線とレーザーの科学： I 反物質の世界

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Presentation Transcript

  1. 山崎泰規 粒子線とレーザーの科学：I 反物質の世界 １．Introduction ２．反物質ことはじめ ３．どうやって作るか ４．なにを見ると面白いか：対称性、大きな違いと小さな違い 5. まとめとこれから レポート：２回出席とレポート

  2. 1gの反物質があると・・・ • 1gの物質と消滅し、1014Jouleのエネルギーを出す＝100万kWの原子力発電所1日分（100Mt-TNT） • 世界の総発電量1020Joule/yr世界の電灯を１分！ • 反山崎で1ヶ月

  3. エネルギー変換効率の比較(DM/M) • 反物質消滅：　　　　　　 100 • 核融合：10MeV/反応 10-3 • 核分裂：200MeV/反応 10-3 • プラズマ：100keV/反応 10-7 • 化学反応：10eV/反応 10-10

  4. まず宇宙を眺めると log log

  5. まず宇宙を眺めると

  6. まず宇宙を眺めると

  7. まず宇宙を眺めると 反ヘリウムは一個も見つかっていない ☆ 我々の宇宙は物質ばかり

  8. まず宇宙を眺めると • Assuming the universe is a patch work of matter and antimatter • annihilation should come from the boundary • diffuse g-rays and deformation of background radiation • the size of the boundary is comparable to the entire visible universe • a symmetric universe does not exist 20Mpc 1000Mpc A. G. Cohen, A. de Ru Jula, AND S. L. Glashow, Astrophys. J. 495:539

  9. 宇宙の反物質？ 26Al? 56Co? OSSE (Oriented Scintillation Spectrometer Experiment

  10. マイケルソンモーリーの実験１８８１年 地球はどこに向かっているか？

  11. マイケルソンモーリーの実験 光 →光は向きに依らず同じ速さで進む 光速度不変　 特殊相対論へ

  12. 奇跡の年1905 特殊相対論 光電効果 ブラウン運動 c:光速 m:質量 p:運動量

  13. ☆色々なものの速さ • 最速の人間： 10m/s 1 • 新幹線： 70m/s 7 • 飛行機： 300m/s 30 • ロケット：　　　　　　　　5km/s 500 • 地球(vs太陽)： 　 30km/s 3,000 • 光速： 300000km/s 30,000,000 → 通常　mv2 << mc2

  14. 量子力学：ミクロなものを扱う処方箋 粒子の非相対論的エネルギー： 不確定性原理： 最低エネルギー： 正しい束縛エネルギーを与える 不確定性原理が現象の本質！

  15. Diracの相対論的電子論 相対論的な運動エネルギーは 自乗してから移項し、“因数分解”すると ↓

  16. 誰も信じなかった反粒子 負のエネルギー解？？ 相対論的エネルギー準位、 電子のスピン（自転）、 磁気モーメント

  17. 誰も信じなかった反粒子 1928年 1930年 1931年

  18. 誰も信じなかった反粒子 Diracの電子の海に穴が空くと 電子１個（図の黒丸）と 反電子１個（図の白丸） ができる？

  19. 最初の反粒子：“反電子”

  20. 最初の反粒子：“反電子” “15 tracks in a Wilson chamber out of 1300 cosmic rays” “positive particles which could not have a mass as great as that of proton” “the charge is less than twice and is probably exactly equal to that of the proton” C.D.Anderson, Phys.Rev.43(1933)491

  21. 反陽子の発見 Chamberlain, Segre, Wiegand, and Ypsilantis, Phys.Rev.100(1955)497 p+p `p+p+p+p I think that this discovery of antimatter was perhaps the biggest jump of all the big jumps in physics in the 20th century. W.Heisenberg in “The physicist’s conception of Nature, 1972

  22. さらに反粒子 p+ `p 1958 反中性子(Phys.Rev110,994) 1965 反重陽子 　　・ 　　・ 反三重陽子 　　・ 　　・ 反ヘリウム３ ・ 　　・ 　　・ p- `p+p`n+n p+ p+ `n+p3p++2p- p-

  23. クォークモデル p: u u d n: u d d `p:`u`u`d `n:`u`d`d 中間子：p+ =`d u p- = `u d K+ =`s u K0 = `s d 例えば、反陽子と陽子の消滅は、 `p + p  p+ + p- + p0

  24. さらに重い反粒子 p + p `A + A + p + p gthr～ 2(1+mA/mp)2 – 1 g`A ～ (gthr+1)1/2/21/2 200-240GeV p + Be, Al `p;`d:`t: 3`He: 4`He ～1:3x10-4:10-7:3x10-8:<3x10-10

  25. 自然の対称性 ☆ 我々の宇宙は物質ばかり 　（big bangで同じ量できたはずなのに？？） ☆ CPT 対称性はプランク質量付近で破れる？ 　　 Mpl=(hc/G)1/2~1019GeV/c2

  26. 60Coの場合 C.S.Wu, Phys.Rev.105(1957)1413. Parity 非保存

  27. 万有引力とクーロン力 一般相対論：万有引力がクーロン力と同程度になると時空の歪みが顕著になる Mplをプランク質量と呼ぶ（アメーバ一匹くらいの質量！）

  28. 自然の対称性 ☆ 我々の宇宙は物質ばかり 　（big bangで同じ量できたはずなのに？？） ☆ CPT 対称性はプランク質量付近で破れる？ 　　 Mpl=(hc/G)1/2~1019GeV/c2 → 高いエネルギーでぶつけてみては？

  29. 可能な実験は？ ☆ 我々の宇宙は物質ばかり 　（big bangで同じ量できたはずなのに？？） ☆ CPT 対称性はプランク質量付近で破れる？ 　　 Mpl=(hc/G)1/2~1019GeV/c2 → 高いエネルギーでぶつけてみては？

  30. 可能な実験は？ ☆ 我々の宇宙は物質ばかり 　（big bangで同じ量できたはずなのに？？） ☆ CPT 対称性はプランク質量付近で破れる？ 　　 Mpl=(hc/G)1/2~1019GeV/c2 → 現在の（或いは未来永劫）加速器技術では達成不可能 ☆ 自然のささやきを聞く (mp/Mpl)mp~10-19GeV ~10kHz

  31. 水素の性質 • e.g., 1S-2S transition, HFS of H  g=2.002, QED, Zeemach: DnHF=3.5ppm m( p) = (2,792 847 337 ± 0,000 000 029)mN m(`p) = (-2,800 ± 0,008)mN

  32. 水素原子のささやき f1S-2S (H) = 2 466 061 413 187.2937 kHz (Phys.Rev.Lett.84(2000)3232, Haensch) 陽子の荷電半径: 0.862(12)fm vs 0.877(24)fm nHF(H)= 1 420 405 751,766 7 ± 0,000 9 Hz m( H) = (2,792 847 337 0 ± 0,000 000 029) mN m(`H) = (-2,800 ± 0,008) mN 反水素原子で比較

  33. q/mは10-10の精度で測定されている! 高分解能質量測定（変な原子核を含む） 分光の代わりになるか? 状態選別分子イオン反応?

  34. 自然の対称性 ☆ 我々の宇宙は物質ばかり 　（big bangで同じ量できたはずなのに？？） ☆ CPT 対称性はプランク質量付近で破れる？？ 　　 Mpl=(hc/G)1/2~1019GeV/c2 → 現在の（或いは未来永劫）加速器技術では達成不可能 ☆ 自然のささやきを聞く (mp/Mpl)mp~10-19GeV ~10kHz

  35. Listen to the whisper of Nature

  36. Listen to the whisper of Nature J.Walz, et al., General relativity and gravitation 36(2004)561 `H + e+ + e+ `H+ + e+ (cusp trap) `H + (e+e-)  `H+ + e- (P.Perez) `H+ + Be+ laser cooling  `H+ + hv  `H + e+ recoil energy?

  37. Mont Blanc

  38. 反陽子の生成 `p production: p + p `p + p + p + p gthr= 2(1+mp/mp)2 -1 = 7 g`p = (gthr+1)1/2/21/2 = 2  エネルギーを9-13桁減！ AD: 26GeV/c 1.5x1013 p/pulse  3.5GeV/c 4x107`p/pulse  0.1GeV/c 3x107`p/pulse

  39. 反陽子の生成 p + p `p + p + p + p ：GeV領域に生成される  meVまで10兆分の1に冷却

  40. Accelerator complex at CERN AD(3GeV5MeV)

  41. 反陽子減速器(AD)+RFQD+MRTrap 巨視的な時間をかけて冷却・減速 3.5GeV/c100MeV/c(～5.3MeV)50keV10Kelvin

  42. ATRAP RFQD ASACUSA ALPHA

  43. 多重リングトラップ ☆トラップ中で非中性プラズマ ☆調和型ポテンシャルでは、回転楕円体となって剛体回転 ☆回転電場で圧縮できる ☆プラズマ振動数は温度に依存

  44. 3415 Slow antiproton production 5MeV 60keV, 60keV floatable0-120keV Dec.eff.~30% 5T Solenoid RFQD RFQD

  45. Slow antiproton production ATRAP RFQD ASACUSA ALPHA

  46. 反陽子の捕捉・冷却・引き出し 3.5GeV/c100MeV/c(～5.3MeV)50keV10Kelvin

  47. Slow antiproton production

  48. 低速反水素の合成過程 (1)対生成 :`p + A `H + e- + A (2)放射性捕獲 :`p + e+ `H + hn (3)レーザー誘起 :`p + e+ + nhn `H + (n+1)hn (4)３体(free) :`p + e+ + e+ `H + e+ (5)３体(bound) :`p + (e+e-)`H + e-

  49. 反水素の合成 ATRAP 170000`H Phys.Rev,Lett89(2002)213401 ATHENA 50000`H Nature419(2002)456

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