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最終更新日:2024年3月15日

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天体素粒子物理学特論I

本講義では、最新の宇宙素粒子物理学のトピックのうち、ニュートリノ、重力波、および暗黒物質の3つについて、それぞれの研究に携わる教員が授業を行う。

1) ニュートリノ
 ニュートリノは長らくその質量がないものと仮定され、これを元にした「素粒子物理の標準模型」が他の実験結果を非常によく再現することから、広く信じられてきた。しかし、1998年にニュートリノに有限の質量を持つこと、また、異なる種類(フレーバー)のニュートリノが混合していることが発見され、標準模型の仮定には誤りがあることがわかり、大きな衝撃を与えた。本講義では、ニュートリノの基本的性質がどのような実験的検証を経てこれらが明らかになってきたか、また、未だ残る謎とこれを探る実験について概説する。

2) 重力波
 一般相対性理論が予言する重力波を直接検出することにより、強い重力場での物理現象、動的重力場の観測が可能となり、また、中性子星の物質の状態方程式を決定することができるなど、電磁波観測では得られない情報をもたらす点で、重力波が宇宙観測の新しい窓となりえる。さらに、その重力波発生天体の可能な限り早い段階からの電磁波観測との連携で、重力波発生天体の正体、そのメカニズムなどの解明につながると期待されている。しかし、重力波の振幅のあまりの小ささのため、その直接検出は困難を極める。この講義では、重力波を現実的に検出する方法、および、観測された重力波信号とそこから得られた物理情報、そして今後の展開について解説する。

3) 暗黒物質
 宇宙暗黒物質の謎は、現在の宇宙を形作ることとなった宇宙の主役をなすと信じられている物質が不明であることと、素粒子物理の様々な課題の解決と結びつく可能性のため、宇宙素粒子物理学の中の最重要課題の一つとみなされている。暗黒物質の研究は主として3つのアプローチがあり、加速器で生成する方法、宇宙に存在する暗黒物質の対消滅からの信号を観測する間接検出の方法、そして身の回りにある暗黒物質が検出器に衝突する事象を捉える直接検出の方法がある。これら全てのアプローチに、世界中の研究者が関わり暗黒物質の正体を解明する研究が活発に進められている。本講義では直接探索実験と間接探索実験について、その原理や期待される信号、これまで遂行されてきている主要な実験の紹介、今後世界で遂行される予定の実験等を中心に講義を行う。

This lecture covers selected three topics, neutrino, gravitational wave and dark matter, from the latest developments in the field of astro-particle physics. Lectures of each topic are given by three lecturers.
1) Neutrino
Mass of neutrinos had been believed to be zero for a long time and the standard model of the particle physics was successfully established with this assumption and there has been no apparent contradiction with the experiments. However, the existence of non-zero neutrino mass and neutrino flavor mixings were discovered in 1998. These have been the first experimental findings which contradicts with the assumption of the standard model and thus, have given huge impact in the field. This lecture explains how the fundamental properties of neutrinos have been experimentally studied and remaining questions to be answered.
2) Gravitational wave
Direct measurements of gravitational wave, which has been predicted by the general relativity, are expected to open the way to study the phenomena in the strong gravitational field and dynamical gravitational fields. Also, equation of state in neutron star is also expected to be determined based on the measurements. These could not be achieved by the electro-magnetic wave observations and provide new way to study the universe. Moreover, coordinated observations of the source of gravitational wave with electro-magnetic observations from early stage are expected to identify the source of the gravitational wave and their mechanism. On the other hand, size of the gravitational wave signal is too small and thus, direct observation had been difficult to realize. In this lecture, realistic methods to detect gravitational wave, observed signals in the experiments, obtained physics results and future directions are covered
3) Dark matter
Dark matter is regarded as one of the most important topic in the field of astro-particle physics because dark matter is considered to play important role in the evolution of the universe and also, it is expected to give solutions or hints of various remaining questions in particle physics. There are three major methods to study dark matter. The first one is to use accelerator to create dark matter itself. The second one is to search for the signal from the annihilation of dark matters in the universe. The third one is to detect the collision of dark matter with the material in the detector. This lecture covers the basics and the recent studies of dark matter, details of direct and indirect measurement experiments and expected signals. These includes the past major experiments and also, the planned experiments in the world.
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時間割/共通科目コード
コース名
教員
学期
時限
35603-0097
GSC-PH6F40L2
天体素粒子物理学特論I
中畑 雅行
S1 S2
火曜3限
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講義使用言語
日本語/英語
単位
2
実務経験のある教員による授業科目
NO
他学部履修
開講所属
理学系研究科
授業計画
・ニュートリノの基本的性質 ・ニュートリノ振動 ・ニュートリノの反応 ・ニュートリノ観測・測定実験(ニュートリノ振動実験、二重β崩壊実験など) ・一般相対性理論の予測と重力波 ・重力波の発生とコンパクト天体 ・レーザー干渉計型重力波検出器の原理 ・レーザー干渉計型重力波検出器の望遠鏡としての制御 ・レーザー干渉計型重力波検出器の雑音とその低減 ・観測された重力波信号と今後の展開 ・暗黒物質研究の概要 ・暗黒物質直接検出実験の原理や期待される信号 ・これまで遂行されてきた暗黒物質の主要な実験 ・今後の世界の暗黒物質直接検出実験 ・暗黒物質間接測定実験 ・高ネルギーガンマ線による暗黒物質間接測定探索 Basic properties of neutrinos Neutrino oscillations Neutrino interactions Neutrino experiments ( neutrino oscillation, neutrino-less double beta decays ) General relativity and gravitational wave Emission of gravitational wave and compact objects Principle of laser interferometer type gravitational wave detectors Control of the laser interferometer type gravitational wave detectors Noise and its reduction of the laser interferometer type gravitational wave detectors Observed gravitational waves and future prospects Overview of the dark matter searches Principle of direct searches of dark matter and expected signals Past major experiments of direct dark matter searches Future directions of direct dark matter searches Indirect Dark Matter Searches Indirect Dark Matter Search with high energy gamma rays
授業の方法
講義 ( lecture )
成績評価方法
規定以上の出席率とレポート問題への回答。出席率評価4割、レポート6割 Required to attend at least certain number of lectures (40%) and submit reports requested by the lecturers (60%). オンライン授業を行うことに伴い、「レポート問題への回答」へ変更(2020年4月13日) Changed to "Required to submit reports requested by the lectures" because we will do online lecture (April 13, 2020)
教科書
なし ( none )
参考書
ニュートリノ Physics of Neutrinos and Application to Astrophysics M. Fukugita, T. Yanagida(著) 出版社:Springer 言語:英語 ISBN−13: 978-3-662-05119-1 重力波 Fundamentals of Interferometric Gravitational Wave Detectors Peter R. Saulson (著) 出版社: World Scientific Pub Co Inc; 2版 (2017/2/16) 言語: 英語 ISBN-10: 981314307X ISBN-13: 978-9813143074 Gravitational Waves: Astrophysics and Cosmology Michele Maggiore (著) 出版社: Oxford Univ Pr (2018/5/29) 言語: 英語 ISBN-10: 0198570899 ISBN-13: 978-0198570899 発売日: 2018/5/29 重力波をとらえる―存在の証明から検出へ(但し、絶版) 中村 卓史 (著),‎ 大橋 正健 (著),‎ 三尾 典克 (著) 出版社: 京都大学学術出版会 (1998/06) 言語: 日本語 ISBN-10: 4876980322 ISBN-13: 978-4876980321 発売日: 1998/06 暗黒物質 Dark Matter: An Introduction, Debasish Majumdar (著), 出版社:CRC Press 言語:英語 ISBN-13: 978-1466572119
履修上の注意
素粒子物理(相対論的量子力学、場の理論、標準模型など)の基礎的知識、ならびに相対論の基礎的知識がない場合、授業を理解できない可能性がある。 It may not be possible to understand the lectures if one does not have basic understandings of the particle physics ( relativistic quantum theory, field theory, standard model etc. ) and relativity.
その他
4/17まで休講。 4/13-17に授業の試行を行います。 講義(試行も含む)の受講を行う際には「オンライン授業URL/Online Class URL」のURLにアクセスしてください。 このURLを他人に教えてはいけません。