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宇宙素粒子物理学への いざない

横浜国立大学 理工学部 宇宙素粒子物理学研究室 中村研究室 Presents


宇宙素粒子物理学への いざない

横浜国立大学 理工学部 宇宙素粒子物理学研究室 中村研究室 Presents


星を構成している原子 や宇宙線など

宇宙の内訳

宇宙の内

 今から約 138 億年前,ビッグバンと呼ばれる大爆発のもとで,宇宙は超高温かつ超高  今から約 138 億年前,ビ

密度の物質と光の熱いスープとして突如生まれました。その後,宇宙は絶え間なく膨張 密度の物質と光の熱いスー

を続け,徐々に冷めていく中で,様々な物質が作られ,星が作られ,銀河が作られて, を続け,徐々に冷めていく 私たちが知っている現在の宇宙となったと考えられています。

私たちが知っている現在の

 しかし,まだ多くのことが分かりません。宇宙の組成を調べると,星などを作る通常  しかし,まだ多くのこと

の物質は宇宙の全エネルギーの4%しかなく,残りは,光を出したり吸収したりしない の物質は宇宙の全エネルギ

未知の物質の「ダークマター」が約1/4,物質でない未知のエネルギーの「ダークエ 未知の物質の「ダークマタ

ネルギー」が約3/4も占めています。それでも,宇宙の大部分を占めているこれらが, ネルギー」が約3/4も占

「ダークマター」は宇宙膨張を減速させ, 「ダークエネルギー」が膨張を加速させるとい 「ダークマター」は宇宙膨張 う綱引きのもとで,私たちの宇宙を進化させてきたと言えるのです。

う綱引きのもとで,私たち


マター ( 暗黒物質 ) ナニモノ???

ダークマター ( 暗黒物質 ) って ナニモノ???

宇宙線 : 宇宙空間を飛び交っている , 極めて小さな粒子 , 原子核や 素粒子のことです。

宇宙線 : 宇宙空間を飛び交っている , 極めて小さな粒子 , 原子核や 素粒子のことです。


最近は,ビッグバン以前に「インフレーション」と呼ばれる宇宙の 急速膨張があったことが有力視されていますが,その証拠はまだ見つ かっていません。そもそも,ビッグバンはなぜ起きたのでしょう?  これまでどのような歴史をたどって現在の我々があるのでしょうか?


急速 膨張

宇宙の年齢


いったい ダークマターって何でしょう ? インフレーションって本当に起きたのでしょうか?


その謎を解き明かす研究をしています。 その謎を解き明かす研究をして

岐阜県神岡鉱山     ︵池の山︶

線 宇宙

線 宇宙


宇 宙 マ イ ク ロ 波

宇 宙 マ イ ク ロ 波

LiteBIRD 衛星計画

▼大 気圏 内

LiteBIRD 衛星計画

▼大 気圏 内

レーション」 「インフレーション」       と呼ばれる宇宙の急速膨張の証拠を観測で見つけるこ     と呼ばれる宇宙の急速膨張の証拠を観測で見つけるこ

とを目的とした人工衛星の計画に参加しています。ビッグバンの頃に超高温だった宇宙は た人工衛星の計画に参加しています。ビッグバンの頃に超高温だった宇宙は

盛んに光を放っていましたが,その光は現在もなお,マイクロ波と呼ばれる電波として宇 っていましたが,その光は現在もなお,マイクロ波と呼ばれる電波として宇

宙を飛び交っています。この電波の偏光と呼ばれる性質を人工衛星を用いて高精度で観測 ています。この電波の偏光と呼ばれる性質を人工衛星を用いて高精度で観測

すれば, 「インフレーション」が本当にあったことを証明できると期待されています。 フレーション」が本当にあったことを証明できると期待されています。

液体キセノンの研究

液体キセノンの研究

「ダークマター」 「ダークマター」             の信号を見つけようとす             の信号を見つけようとす る実験は様々な方法により世界中で進められていまる実験は様々な方法により世界中で進められていま す が,中 で も 最 も 規 模 が 大 き く 高 感 度 な 方 法 が, す が,中 で も 最 も 規 模 が 大 き く 高 感 度 な 方 法 が, XMASS 実験のように液体キセノンを用いるものとXMASS 実験のように液体キセノンを用いるものと なっています。

なっています。

 しかし,液体キセノンには良く理解されていない しかし,液体キセノンには良く理解されていない 基本特性が以前からあることから,中村研究室では基本特性が以前からあることから,中村研究室では その解明に長らく取り組んできました。これまでに, その解明に長らく取り組んできました。これまでに, 紫外線に対する屈折率や紫外線の発光波長を正確に紫外線に対する屈折率や紫外線の発光波長を正確に 測定し,さらに赤外線の発光も確認して,現在は, 測定し,さらに赤外線の発光も確認して,現在は, 積年の課題である紫外線の散乱特性の研究に取り組積年の課題である紫外線の散乱特性の研究に取り組 んでいます。

XMASS 実験 ▼キセノンの研究装置

の素粒子

             の正体は未知の素粒子 「ダークマター」

ュートリ

であるとの有力な仮説を確かめるため,ニュートリ

山の地下

ノ研究でも良く知られている岐阜県神岡鉱山の地下

模に用い

において,冷やしたキセノンの液体を大規模に用い

ています。

た XMASS(エックスマス)実験に参加しています。

がかすか

これは,ダークマターにより液体キセノンがかすか

うとする

に紫外線を発する現象を高感度で観測しようとする

これまで

実験ですが,それらしい信号は残念ながらこれまで

討中です。

に見つかっていません。現在,次の手を検討中です。

んでいます。 ▼キセノンの研究装置


XMASS 実験

X

タンクの中は 液体のキセノン

▼XMASS 実験装置の外観


Xe Xe Xe Xe Xe Xe Xe Xe Xe Xe Xe Xe Xe Xe Xe Xe Xe Xe Xe Xe Xe Xe

Xe Xe Xe

ダークマターがキセノン原子にぶつかります。 そしてキセノン原子がぶつかり合い光を放ちます。 …ダークマター ( 暗黒物質 ) …キセノン原子

原子番号 : 54

キセノン Xenon ( 希ガス元素 ) 原子量 131.293

空気中の割合

1 10000000

¥200

¥2800

キセノンの価格は気体1L で 2800 円


宇宙の謎を解き明かそうとする研究室の活動風景。

 多くの参考書に囲まれ,最大限の自由な雰囲気にあふれた研究室。  大学構内は,深い緑と明るい日差しにあふれています。  ( 場所 : 横浜国立大学 )


神岡鉱山内の地下の実験場へは,許可を得た特殊なディーゼル車で入坑します。  外国人研究者も居るため書かれた英語のタグに綴りミスがあるのはご愛嬌!

 学外の研究所で最前線の研究者に解説を伺うこともあります。    ( 場所 : 東京大学宇宙線研究所付属神岡宇宙素粒子研究施設 ※左下のみ 高エネルギー加速器研究機構 )


高エネルギー物理学実験室 ( 学生の部屋 + キセノンの実験室 )

手前右側

中村教員室

裏表紙の写真は中村が総合研究棟 W から撮影したものです。


「ビッグバン」という宇宙誕生にまつわる用語が,世間でも漠然と広く使われる ようになって久しいと思います。以前は,宇宙論と言えば定量的な議論は出来ず, ひと桁くらいのずれは許容されるような大まかな議論が普通の学問分野でした。 しかし,最近の20年ほどの間に高精度な観測がいくつも行われ,また素粒子や 原子核の理解も進んだことで宇宙論は劇的に発展し,以前には考えられなかった ような精度で宇宙の生い立ちが語られるようになりました。そして今では,宇宙 の物質やエネルギーの大部分が正体不明であるという予想もしていなかった大き な謎に,私たちは直面しています。  大きな謎があるということは,大きな発見,すなわちかけがえのない大きな喜 びのチャンスもまたあるということです。この小冊子との出会いをきっかけに, 夢多き宇宙素粒子物理学の分野にとび込んで人類共通の謎解きにチャレンジして くれる若者がひとりでも多く現れてくれることを心から期待しています。

横浜国立大学 理工学部 宇宙素粒子物理学研究室


宇宙素粒子物理学への いざない

2017 年 8 月3日 第1刷発行

ディレクション    中村正吾 デザイン       宇都宮里梨子 協力         横浜国立大学

© 2017 Shogo Nakamura

理工学部 宇宙素粒子物理学研究室 中村研究室


宇宙素粒子物理学へのいざない  

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