H19年度冬学期全学ゼミ
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全学ゼミの概要
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H19年度 冬学期 宇宙線研究所主催 全学自由研究ゼミナール
「宇宙素粒子物理学のフロンティア」

開講場所:    教養学部(駒場) 新5号館 512教室
曜日・時限: 木曜日、4時限 (14:40-16:10)
履修制限:    なし (全学部の1年、2年が対象)
授業の目標、概要:
近年、宇宙物理学と素粒子物理学の両分野にまたがる宇宙素粒子物理学
(Astroparticle Physics)が注目を集めている。素粒子によって宇宙を
詳細に観測し、宇宙及び素粒子に関する理解を深めようとする学問分野
である。本ゼミナールでは宇宙線と素粒子物理に関する基礎的な内容から、
現在行われている最新の宇宙素粒子実験の研究内容までを概説する。
講義は宇宙線研究所の教員が分担し、主にパソコンとビデオプロジェクター
を用いてプレゼンテーション形式で行う予定である。
なお、希望者には宇宙線研究所または神岡宇宙素粒子研究施設において
宇宙素粒子実験の基礎を体験する機会を設ける。

   

成績評価方法: 講義への出席、及びレポート提出または実習参加。
    なお、CFIVEによる出欠管理を行う予定。

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講義の予定

1週目 10/11 竹内  ガイダンス、宇宙線入門1
2週目 10/18 瀧田  宇宙線入門2
3週目 10/25 塩澤  素粒子入門         
4週目 11/01 大橋  重力波で探る宇宙 
5週目 11/08 佐川 高エネルギー素粒子で探る宇宙 
6週目 11/15 安田  光子で探る宇宙1       (実習申込書配布)
7週目 11/29 榎本  光子で探る宇宙2       
8週目 12/06 佐々木 光子で探る宇宙3       
9週目 12/13 中畑  ニュートリノで探る宇宙1   (実習申込書提出)
10週目 12/20 梶田  ニュートリノで探る宇宙2
11週目 01/10 竹内  暗黒物質探索
12週目 01/17    1/12に実習を行うため休講予定
13週目 01/24     1/19,20に実習を行うため休講予定

12,13週目は、受け入れ可能な人数の範囲で宇宙線研究所において実習 または神岡施設での見学会を行う。 人数制限を超過した方には、各自で興味を持った講義に関して自習をしてもらい、レポートを作成して提出してもらう予定である。 実習は以下の予定である。 詳細に関してはガイダンス時及び6週目及び11週目に説明を行う。

実習1: 1/12 宇宙線研究所(柏)で素粒子宇宙線実験の基礎を実習
宇宙線を体験する
その他

実習2: 1/19,20 神岡施設(岐阜県飛騨市)で最先端の研究現場の見学
スーパーカミオカンデ
重力波検出装置プロトタイプ
暗黒物質探索実験プロトタイプ
その他

なお、実習1、実習2を選択した場合の費用は各自の負担になります。
(実習1は交通費が必要。実習2は都内集合場所までの交通費と富山市内での宿泊費が必要。      実習2の都内から現地まではチャーターバスを準備予定。)

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各講義の概要 9月13日 version
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1週目 竹内  宇宙線入門1
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講義でカバーする研究分野に関して、これまでにわかったことや、
残っている問題などの概観を紹介します。
さらに宇宙線とはどのようなものか、基本的な物理過程を説明します。
よく使われるエネルギーや質量の単位を説明します。

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2週目 瀧田  宇宙線入門2
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「一次宇宙線」
宇宙線のエネルギー量、銀河宇宙線の化学組成、星の一生と元素合成、
宇宙線の加速、銀河内での宇宙線の伝播、宇宙線の寿命

「地表での宇宙線観測」
空気シャワー現象、空気シャワー実験

等を学ぶ。

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3週目 塩澤  素粒子入門           
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万物を構成する基本素粒子と素粒子間に働く力について概観する。
また、最先端の実験、特に高エネルギー加速器を用いた実験や
加速器を使わない実験を紹介する。

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4週目 大橋  重力波で探る宇宙 
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重力波は未だ検出されたことがない時空のさざ波である。
連星パルサーの合体や超新星爆発などの非常に激しい
天体現象で発生する重力波を、巨大レーザー干渉計で
とらえようとする計画が世界中で進められている。
これについて解説する。

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5週目 佐川 高エネルギー素粒子で探る宇宙 
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宇宙には最高エネルギーが 10**20 電子ボルトに至る「宇宙線」が満ちている。
ミクロの素粒子にどのような物理機構が働いて、そのような高いエネルギーが与
えられたのか判っていない。超新星やガンマ線バーストから生じる衝撃波、回転
する巨大ブラックホールからのジェット、宇宙初期に生じた位相欠陥の崩壊など、
原因となり得る幾つかの高エネルギー現象が指摘されている。地球に到来する極
高エネルギー宇宙線を観測して、その発生起源を突き止める、いくつかの実験計
画を紹介する。

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6週目 安田  光子で探る宇宙1       
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遠方の超新星や銀河の分布の精密な観測によって我々の宇宙の約7割は
ダークエネルギーと呼ばれる謎のエネルギーによって満たされ、加速度
膨張していることが明らかになってきた。ダークエネルギーの発見を
もたらした超新星の光学的観測および銀河の精密な地図を描き出した
スローン・デジタル・スカイ・サーベイについて解説する。

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7週目 榎本  光子で探る宇宙2       
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宇宙から飛来する高エネルギーのガンマ線(1兆電子ボルト程度)
が最近になって確実に検出できるようになった。これは地上に10m程度の
口径の反射望遠鏡と数百個の光電子増倍管で構成されるカメラにより
1光子を10億分の1秒で検出し、最新の電子回路でデジタル化した
後に画像処理することにより可能になった。このような観測実験は
世界に4つあり、そのうち南半球(銀河中心が見える:オーストラリア、
アフリカ、南米など)に2つある。宇宙線研のホストするカンガルー実験
はその2つのうちのひとつであり、他に先行してオーストラリアに
建設された国際協力実験である。
実験の概要、同種の施設の歴史的解説、この観測により宇宙線の
起源の研究を行っていることなどをこの講義においてわかりやすく
解説する。

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8週目 佐々木 光子で探る宇宙3       
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ガンマ線バースト(GRB)は、地球から何十億光年も離れたところで起きてい
る大爆発現象です。銀河系の全ての星が一年間に放つエネルギーが、たった十秒
程度の短い間に放出されます。GRBは、人類が知りうる最も遠方の天体現象の一
つであり、ビックバンをのぞくと宇宙最大の爆発現象なのです。しかし、どのよ
うな天体がその爆発現象を起こしているのかは、全くわかっていませんでした。
昨今、ガンマ線衛星以外にX線、可視光、電波等、多波長での観測が急速に進み、
その性質の一端が明らかになりつつあります。今後、その巨大なエネルギーによっ
て粒子が加速されたり、超高エネルギーのニュートリノが閃光と共に放出された
りといった粒子と光の両方を用いた観測が期待されます。
本講義では、GRBの謎に迫ります。どんな観測によってどんな物理現象が明ら
かになったのか?何がまだ謎のままなのか?それを解決するために何が行われよ
うとしているのか?そして、我々の全天監視素粒子望遠鏡Ashraとは何か?につ
いて、やさしく解説します。

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9週目 中畑  ニュートリノで探る宇宙1   
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岐阜県神岡の地下1000mに設置された実験装置「スーパーカミオカンデ」では
日夜ニュートリノの観測を行なっています。我々の身の回りにはたくさんの
ニュートリノが飛び交っています。例えば、最も身近な天体「太陽」からは、
一秒間、1平方センチメートルに660億個のニュートリノが飛んできています。
しかし、ニュートリノは物質となかなか反応しないため50000トンのスーパー
カミオカンデでも1日あたり高々15個程度しか捕まりません。
宇宙でも華々しい現象のひとつとして超新星爆発があげられます。
超新星爆発では99%のエネルギーがニュートリノによって運びさられるために
ニュートリノによる観測によって爆発の詳細を探ることができます。
ニュートリノは宇宙を探る新しい手段のひとつであるとともに、天体からの
ニュートリノを使ってニュートリノという素粒子の性質も探ることができます。
こうしたスーパーカミオカンデを中心として行なっているニュートリノを用いた
研究について講義をします。

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10週目 梶田  ニュートリノで探る宇宙2   
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宇宙線が大気中で生成する「大気ニュートリノ」の研究に
よって「ニュートリノ振動」という現象が発見された。ニュートリノ振動
はニュートリノに質量があるときにおこる現象であり、ニュートリノの
小さな質量があることがわかった。本講義では大気ニュートリノの研究
からどのようにニュートリノの質量が発見され、その研究が今後どのような
形で進展するであろうかということを議論する。

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11週目 竹内  暗黒物質探索
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宇宙の質量組成に関して、我々が理解している部分はほんの4%しかありません。
72%は宇宙を膨張させようとする仮想的なエネルギー成分で、暗黒エネルギー
(dark energy)とよばれます。暗黒エネルギーがどのようなものであるかは解明
されていません。残りの24%は、物質ではあるが光学的には観測されていない
成分で、暗黒物質(dark matter)とよばれます。暗黒物質は未発見の新粒子で
ある可能性が高く、現在直接検出を目指して世界で活発な研究活動が行われて
います。神岡の地下実験施設でも、液体キセノンを用いて暗黒物質を直接観測
しようとするXMASS実験が今年度から本格的に始まりました。
本講義では、暗黒物質探索に関する現状と神岡での研究について紹介します。