柴田研究室 ―研究室紹介 #13―

素粒子物理は、宇宙の本質の解明を目指す物理の基本的な分野で、魅力ある未踏の研究テーマがたくさんあります。

クォークとクォークの間の力を媒介するのがグルーオンで、この力は「強い力」と呼ばれ、電磁気的な力よりもずっと短い距離で働きます。その理論は、量子色力学（QCD）と呼ばれています。発展がめざましい量子色力学を、様々な方法の実験と理論的解釈とによって研究しています。

物質の質量はそれを構成する原子の質量によるものですが、原子の質量のほとんどは原子の中の原子核の質量です。更に原子核の質量は陽子と中性子の質量によるものだが、陽子と中性子を構成するクォークは本来は質量がゼロの粒子です。クォークはヒッグス場との相互作用によっては数MeVの質量を得るだけなので、質量の残りの98%は「強い力」、つまりグルーオンの場に起因すると考えられます。このことが、質量の起源として強い力を研究する動機になっています。

柴田研究室では、具体的には次のような研究をしています。

1. 1.反クォークの研究：高エネルギーの陽子－陽子反応におけるドレル・ヤン過程の実験（フェルミ国立加速器研）。片方の陽子の中のクォークともう一方の陽子の中の反クォークが対消滅してレプトン対（たとえばミューオン対）に崩壊するのがドレル・ヤン過程です。反クォークの存在を特定することができます。
2. 2.高エネルギーの偏極した（つまりスピンの方向のそろった）陽子と陽子の衝突型実験（ブルックヘブン国立研）
3. 3.高エネルギーの電子と陽電子の衝突によるクォーク・反クォーク対の生成（つくばのKEKのBelle実験）
4. 4.量子色力学の理論的計算

1.は素粒子実験としては少人数の実験で、日・米の大学院生を主とした十数人が中心的な活躍をしています。したがって、大学院在学中に、測定器の設計・製作、データを取るソフトウェアの開発、データの物理解析、理論解析の全部をそれぞれの学生が行います。

特に「陽子のスピンの起源の謎」を解明する研究の先頭に柴田研究室は立っています。陽子のスピンは1/2だが、それがクォークやグルーオンのスピンから宇宙初期にどのように構成されたか、は「陽子のスピンの起源の謎」と呼ばれています。

データ解析の拠点は日本にあり、東工大にいて世界中の実験データを解析することができます。

理論的研究に主力をおいている大学院生もいます。

更に詳しくは、研究室のホームページを見てください。

柴田先生より

1. 1.ものづくりは物理学の原点です。大型のドリフト・チェンバーを日本で製作して、最近、アメリカの実験室へ飛行機で搬送しました。
2. 2.物理学は自然科学の一分野なので、自然を観測すること、および実験は、基本的で重要です。同時に、理論による予言・解釈も主要な役割を果たします。実験と理論は車の両輪のようなものです。自然科学としての物理の魅力を十分に感じるためには、実験と理論の両方が重要なので、両面での勉強を薦めています。
3. 3.自分が身に着けた専門的な知識をわかりやすく人に伝えることは重要で、学年が進むにつれて物理学を介したコミュニケーションによって人との関わりが増えていくのがむしろ自然です。話が専門的すぎて人に伝わらない、ということのないようにすることが大切です。
   こうした考え方に基づいて、大学内での研究に加えて、町に出て積極的に人と関わる機会を研究室では提供しています。町の科学館などでの科学実験教室は、こうした取り組みの一環です。高校生などに物理実験とその背景にある理論を教えることによって、自ら得られる知識も多くあります。
4. 4.研究室の輪講には、ポッフ他著・柴田利明訳「素粒子・原子核物理入門　改訂新判」丸善、を用いています。ポッフ氏はドイツの共同研究者です。

ドリフト・チェンバーを日本で製作して飛行機でアメリカ・フェルミ国立加速器研究所に輸送しました

SeaQuestの日本人メンバー、東工大柴田研究室実験室でテストドリフト・チェンバーを囲んで