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陽子崩壊探索

素粒子標準理論は正しい?

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図1:素粒子標準理論 [クリックして拡大]

ヨーロッパにある大型加速器LHCにおけるヒッグス粒子発見により、素粒子物理のしくみを説明する「標準理論」は完成しました。

標準理論は、原子核を構成するクォークと電子の仲間のレプトン、そしてそれらに働く、弱い力、強い力、電磁気力の3種類の相互作用から成り立ち、いまのところ標準理論からかけはなれた実験結果は得られていません。

しかし、標準理論は「なぜクォークとレプトンの2種類の粒子が存在するのか?」、「なぜそれぞれ3世代ずつあるのか?」、「なぜ3種類の相互作用が存在するのか?」、等々根本的な問いには答えてくれません。 このことから、標準理論の先にもっと大きな理論的枠組みが存在すると考えられています。

大統一理論が正しければ陽子はいつか壊れる

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図2:相互作用の統一。[クリックして拡大]

電磁相互作用、強い相互作用、弱い相互作用の強さは図2のようにエネルギーによって変化することが分かっています。これらを現在まで実験的に到達しているエネルギー領域から1016 ギガ電子ボルトという宇宙創成時の超高エネルギー状態まで拡張すると、3つの相互作用は一点に集約されると予想されます。このことから、標準理論ではバラバラだった粒子と相互作用を統一し、残された根本的な問いに答えてくれる「大統一理論」が存在すると考えられています。このような超高エネルギー状態は、加速器を使っても再現することはできません。また、大統一理論においては陽子・中性子を構成するクォークと電子の仲間のレプトンの垣根を取り払えることがもう一つの特徴です。これにより大統一理論は、全ての物質の原子核を構成する陽子もいつかは壊れることを予言しています。すなわち、陽子崩壊の探索は大統一理論を検証する鍵なのです。

巨大水槽で陽子の寿命をはかる

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図3:2個のアップクォークと1個のダウンクォークからなる陽子が陽電子と中性パイ粒子に崩壊する、典型的な陽子崩壊の一例。[クリックして拡大]

では陽子の寿命はどのくらいなのでしょうか?

様々な大統一理論モデルが提唱されていますが、概ね1030年以上(!)と予想されています。宇宙の年齢がおよそ138億年ですから、途方もない長さです。もちろん、一つの陽子を1030年以上も観測することはできません。しかし、粒子の寿命というのは最初にあった個数から壊れて1/2.72に減った時間を意味します。たとえ観測時間が短くとも、最初にたくさんの陽子を用意しておけば陽子の寿命を計ることができます。このため陽子崩壊観測のためには、巨大な検出器が必要になります。

現在、陽子崩壊に対する感度がもっとも高いのはスーパーカミオカンデで、検出器内の純水中に含まれる7.5x1033個の陽子を12年以上観測し続けていますが、いまだに陽子崩壊を観測しておらず、陽子の寿命は少なくとも1034年以上と見積もられています。

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図4:ハイパーカミオカンデで期待される陽子崩壊の信号。現在の陽子寿命下限値とハイパーカミオカンデ10年の観測を仮定。プロットは信号とバックグランドを合わせたもの。上図は陽子の運動量が低い領域(< 100 MeV/c)の分布で、下図は運動量が高い領域(100~250 MeV/c)を表す。プロットは信号とバックグランドを合わせたもの。ハッチ部はバックグランドのみ。[クリックして拡大]

ハイパーカミオカンデは、スーパーカミオカンデの約10倍の体積を誇る巨大検出器です。ハイパーカミオカンデが稼働すると、現在のスーパーカミオカンデの結果をたった2年で追い越すことができます。図3に典型的な陽子崩壊の様子が描かれていますが、ハイパーカミオカンデでは崩壊の結果生じた粒子から陽子の質量(938 MeV/c2)と運動量を再構成することができます。もし陽子の寿命が現在得られている下限値程度だと仮定すると、ハイパーカミオカンデでは図4のようにはっきりと陽子崩壊を捕えることが可能です。特に運動量が低い領域(100MeV/c未満)ではほとんどバックグランドがなく、数個イベントが見つかっただけで陽子崩壊の発見が決定的になります。

ハイパーカミオカンデは10年間の観測で、現在得られている下限値よりも1ケタ長い陽子の寿命まで感度があり、提唱されている様々な大統一理論のモデルの予言の大部分を検証することが可能です(図5)。ハイパーカミオカンデは陽子崩壊を発見し、大統一理論とその先にある物質の根源と宇宙生成時の謎に挑戦します。

 

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図5 様々なモデルの予言とハイパーカミオカンデの感度。ハイパーカミオカンデでは過去の実験よりも飛躍的に陽子崩壊にたいする感度が飛躍的に向上する。[クリックして拡大]


動画で見る陽子崩壊