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粒子の物質中でのふるまい

山崎祐司（神戸大）

Higgs 粒子崩壊の例

H Z⁰ Z⁰ e⁺e⁻⁺⁻

ミューオン：赤線

電子：青

反跳ジェット：青，橙

ミューオンの運動量が高く，ほとんどまっすぐ飛ぶ

→ 強い磁場中を長い距離とばす必要あり大きな検出器になる

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標準模型の粒子と相互作用

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散乱粒子の最終産物

クォークは単体では存在しない 中間子 Meson （クォーク・半クォーク対）あるいは

核子 Nucleon （陽子，中性子…） = 準安定ハドロンに崩壊

タウレプトンは短寿命 中間子あるいは荷電レプトン (e, µ) とニュートリノに崩壊

重いクォークも崩壊 ニュートリノは検出できない （準）安定な粒子 τ > 10−8 [s]

電子，光子 荷電ハドロン，中性ハドロン ミューオン (µ)

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長寿命粒子のプロフィール

粒子 組成 生成メカニズム 質量[MeV]

寿命 [s] 崩壊

e± 素粒子 直接，光から対生成 0.511 ∞

γ 素粒子 π0→γγ, 電子からの放射光 0 ∞ 荷電粒子が吸収

µ± 素粒子 直接， π±/K± 崩壊 106 2.210−6 e±νµνe 100%

π0 q, g の破砕化 , 中間子崩壊

135 8.410−17 γγ 99% γe+e− 1.2%

π± q, g の破砕化 , 中間子崩壊

138 2.210−8

(cτ ~ 10m)µνµ 99.98%

K± q, g の破砕化 , 中間子崩壊

494 1.210−8 µνµ 63.44%π±π0 20.92%

K0S q, g の破砕化 , 中間子崩

壊498 0.910−10 π+π−, π0π0

K0L 498 5.110−8 πeνe , πµνµ, 3π

p uud 破砕化，ビームから 938 ∞

n udd 破砕化，ビームから 939 886 peνe 100%

)(2

1dduu

)(

)(

ud

du

)(

)(

Kus

Ksu

混合状態dssd ,

強い相互作用によるクォークの閉じこめ

強い相互作用の結合定数は，相互作用のエネルギーが高いほど小さい（低いほど大きい）

力は距離が離れるほど強くなる

ポテンシャルエネルギーにより新たに粒子・反粒子が対生成 中間子を形成し，多粒子

のジェットとなる 破砕化（ fragmentation ）

とよばれる

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rr 1)(

rr ~)(

ポテンシャルエネルギーが高くなっている 中間子

中間子

クォーク・グルーオンの破砕化

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パートンが一つ放射ee → qqgハードな散乱の「３体崩壊」

次々にパートンが放出される（ αS でかい）

拡大すると…

パートン間の不変質量が 1 GeV 程度になると， αS ~ 1 となり摂動計算が意味をなさなくなる→ 非摂動な束縛状態（中間子）を形成

O(√s)

O(1GeV)

粒子測定と検出器

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荷電粒子：磁場で曲げて運動量を測る

電磁相互作用をする粒子（電子，光子）

止めてシャワーを起こし，物質中に落とした

エネルギーを測る

ハドロン粒子（核子，中間子：クォー

クでできている）厚い物質で止める

ミューオン：物質を貫通させた後，磁場で曲げる

ニュートリノ，暗黒物質：見えない！（中性，弱い相互作用のみ）運動量保存から推測

粒子の崩壊パターン，崩壊元の質量の再構成から新粒子生成をとらえる

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荷電粒子の物質中でのふるまい

イオン化などによるエネルギー損失 dE/dx 平均値： Bethe-Bloch の式 ばらつき： Landau 分布 エネルギー損失測定による粒子識別

進行方向の変化 : multiple scattering 飛跡検出器の位置精度と運動量の関係 multiple scattering が運動量測定精度に与える影響

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