2025年 大学院理工学研究科 シラバス - 物理学専攻
設置情報
| 科目名 |
原子核物理学Ⅰ
低エネルギーQCDとクォーク・ハドロン物理学概論
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| 設置学科 | 物理学専攻 | 学年 | 1年 |
| 担当者 | 山田 賢治 | 履修期 | 前期 |
| 単位 | 2 | 曜日時限 | 木曜2 |
| 校舎 | 駿河台 | 時間割CD | M42B |
| クラス | |||
概要
| 学修到達目標 | クォーク・ハドロン物理学について，低エネルギーでの現象論的側面を中心に解説する。 原子核の構成要素である核子や核子同士を結びつける核力に関係するパイ中間子などには，ハドロンと呼ばれる性質の似通った一連の粒子が多数存在する。クォークの束縛状態である様々なハドロンを系統的に整理する単純クォーク模型に基づき，量子色力学（QCD）を拠り所に，ハドロンの質量や崩壊特性がいかに説明されるかを議論する。 また，加速器実験におけるハドロンの生成機構に基づき，未発見のハドロンの探索について概説するとともに，単純クォーク模型の範疇に属さない新たなハドロンの存在形態についても論及する。 |
|---|---|
| 授業形態及び 授業方法 |
【対面授業】 基本的重要事項の解説は，板書を中心とした講義形式で行う。 |
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準備学習（予習・ 復習等）の内容・ 受講のための 予備知識 |
非相対論的量子力学，特殊相対性理論，相対論的量子力学及び相対論的場の量子論に関する基礎的事項について，理解していることが望ましい。 |
授業計画
| 第1回 | ・講義ガイダンス ・クォーク・ハドロン物理学とは何か ・素粒子の標準模型（概観）─ 基本粒子と基本的相互作用 | 【事前学習】非相対論的量子力学，特殊相対性理論，相対論的量子力学に関する基礎的事項について，しっかり復習しておくこと。 【事後学習】講義の内容について，数式をチェックしながら十分復習すること。理解できない点については，その内容を整理し質問の準備をすること。 | 【事前学習】3時間 【事後学習】1時間 |
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| 第2回 | ・自然界における基本的な力 １ 基本的な力の性質 ─ 重力相互作用 ① 重力のポテンシャル ② プランク質量，プランク長さ，プランク時間 ③ 重力相互作用の有効結合定数 ２ 基本的な力の性質 ─ 電磁相互作用 ① クーロン力のポテンシャル ② クーロン力による束縛エネルギー ３ 基本的な力の性質 ─ 弱い相互作用 ① ベータ崩壊 ② フェルミ結合定数 ③ 弱い力のポテンシャル ④ 弱い相互作用の有効結合定数 ⑤ 弱い相互作用のゲージ結合定数 ４ 基本的な力の性質 ─ 強い相互作用 ① 核力のポテンシャル ② 核力の有効結合定数 ③ 核力による束縛エネルギー | 【事前学習】前回の授業内容について，理解を深めておくこと。 【事後学習】講義の内容について，数式をチェックしながら十分復習すること。理解できない点については，その内容を整理し質問の準備をすること。 | 【事前学習】1時間 【事後学習】3時間 |
| 第3回 | ・自然界における基本的な力 ５ 基本的な力の相対的強さ ① 電子の原子核による散乱 ② ニュートリノの陽子による散乱 ③ 核子−核子散乱 ④ 物質粒子の大まかな種別 ６ 基本的な力の到達距離 ① 電磁気力 ② 弱い力 ③ 強い力（核力） | 【事前学習】前回の授業内容について，理解を深めておくこと。 【事後学習】講義の内容について，数式をチェックしながら十分復習すること。理解できない点については，その内容を整理し質問の準備をすること。 | 【事前学習】1時間 【事後学習】3時間 |
| 第4回 | ・物質粒子の分類 １ レプトンとハドロン ２ クォーク ① クォークの種類と世代 ② クォークの量子数 ③ 中野–西島–ゲルマンの公式 ④ 第２世代，第３世代クォークの生成 ３ クォークの閉じ込めと漸近的自由性 ① クォークの閉じ込め ② 量子色力学（QCD）の結合定数 ③ 漸近的自由性 ４ クォーク間力と核力 | 【事前学習】前回の授業内容について，理解を深めておくこと。 【事後学習】講義の内容について，数式をチェックしながら十分復習すること。理解できない点については，その内容を整理し質問の準備をすること。 | 【事前学習】1時間 【事後学習】3時間 |
| 第5回 | ・不安定粒子の寿命 １ 崩壊せずに生き残る確率 ２ 平均寿命と半減期 ① 平均寿命 ② 半減期 ３ ミューオンの崩壊 ① ミューオンの質量 ② ミューオンの平均寿命 （1）ミューオンが静止している場合 （2）ミューオンが運動している場合 （3）平均寿命の測定結果の物理的意味 ４ 運動する素粒子の平均寿命 ５ 宇宙線中のミューオンの平均寿命 ① 大気中でのミューオンの発生 ② 発生したミューオンの平均寿命 | 【事前学習】前回の授業内容について，理解を深めておくこと。 【事後学習】講義の内容について，数式をチェックしながら十分復習すること。理解できない点については，その内容を整理し質問の準備をすること。 | 【事前学習】1時間 【事後学習】3時間 |
| 第6回 | ・強い相互作用におけるカラー電荷 １ クォークの複合系としてのハドロン ─ クォーク模型 ２ クォークスピンの合成 ① メゾンの全クォークスピン ② バリオンの全クォークスピン ３ ハドロンのパリティ ① メゾンのパリティ ② バリオンのパリティ ４ ハドロンの基底状態 ① 基底状態ハドロンのスピン–パリティ ② 観測されている基底状態ハドロン ５ カラー電荷の導入 ① バリオンにおけるスピンと統計の問題 ② カラー電荷 ６ カラーの閉じ込め | 【事前学習】前回の授業内容について，理解を深めておくこと。 【事後学習】講義の内容について，数式をチェックしながら十分復習すること。理解できない点については，その内容を整理し質問の準備をすること。 | 【事前学習】1時間 【事後学習】3時間 |
| 第7回 | ・カラー電荷の実験的証拠 １ e^+ e^- 対消滅実験における断面積 ① 断面積の比 R=σ(e^+ e^-→hadrons)/σ(e^+ e^-→μ^+ μ^- ) ② 断面積の比Rにおけるカラー電荷の証拠 ③ 中性ベクトルメゾンの探索 ２ π^0→2γ 崩壊 ① 素粒子の標準模型における π^0→2γ の崩壊幅 ② π^0→2γ の崩壊幅の実験値 ③ π^0→2γ 崩壊におけるカラー電荷の証拠 | 【事前学習】前回の授業内容について，理解を深めておくこと。 【事後学習】講義の内容について，数式をチェックしながら十分復習すること。理解できない点については，その内容を整理し質問の準備をすること。 | 【事前学習】1時間 【事後学習】3時間 |
| 第8回 | ・量子色力学（QCD）の主要な性質 １ QCDラグランジアンの基本的対称性 ２ 漸近的自由性 ３ クォークとグルーオンの閉じ込め ４ カイラル対称性の破れ | 【事前学習】前回の授業内容について，理解を深めておくこと。 【事後学習】講義の内容について，数式をチェックしながら十分復習すること。理解できない点については，その内容を整理し質問の準備をすること。 | 【事前学習】1時間 【事後学習】3時間 |
| 第9回 | ・ハドロンの命名法 ─ メゾンの名称 １ ハドロンの命名法の変遷 ２ ハドロンのクォーク構成と名称 ３ 中性フレーバーメゾン ① 中性フレーバーメゾンのシンボルと量子数 ② qq ̅系に許されるJ^PC ４ メゾンのスピンと質量の表記法 ５ 中性フレーバーメゾンの粒子特性とシンボル | 【事前学習】前回の授業内容について，理解を深めておくこと。 【事後学習】講義の内容について，数式をチェックしながら十分復習すること。理解できない点については，その内容を整理し質問の準備をすること。 | 【事前学習】1時間 【事後学習】3時間 |
| 第10回 | ・ハドロンの命名法 ─ メゾンの名称 ６ エキゾチックJ^PCメゾン ① ナチュラル・スピン–パリティとアンナチュラル・スピン–パリティ ② エキゾチックJ^PC状態 ７ ストレンジネス，チャーム又はボトムネスを持つメゾン ８ トップクォークを含むハドロンの非存在性 ・ハドロンの命名法 ─ バリオンの名称 １ バリオンの命名法 ２ 通常の量子数を持つバリオン ３ エキゾチックバリオン | 【事前学習】前回の授業内容について，理解を深めておくこと。 【事後学習】講義の内容について，数式をチェックしながら十分復習すること。理解できない点については，その内容を整理し質問の準備をすること。 | 【事前学習】1時間 【事後学習】3時間 |
| 第11回 | ・格子QCDによるハドロン分光学 １ ハドロン質量の予言 ２ カイラル対称性の破れとその人為的回復 | 【事前学習】前回の授業内容について，理解を深めておくこと。 【事後学習】講義の内容について，数式をチェックしながら十分復習すること。理解できない点については，その内容を整理し質問の準備をすること。 | 【事前学習】1時間 【事後学習】3時間 |
| 第12回 | ・素粒子の基本的相互作用とハドロンの崩壊 １ 崩壊の種類 ２ 対称性と保存則 ３ クォーク-ライン・ダイアグラム ４ ハドロンの強崩壊 ① 観測されているメゾンの崩壊特性 ② OZI ルール | 【事前学習】前回の授業内容について，理解を深めておくこと。 【事後学習】講義の内容について，数式をチェックしながら十分復習すること。理解できない点については，その内容を整理し質問の準備をすること。 | 【事前学習】1時間 【事後学習】3時間 |
| 第13回 | ・加速器実験におけるハドロンの生成機構 １ 世界の加速器実験 ２ 周辺衝突過程 ３ 中心衝突過程 ４ 電子-陽電子衝突型実験 ５ 電子-陽電子衝突の全断面積とベクトルメゾンの生成 ６ CKMクォーク混合行列とBメゾンの弱崩壊 | 【事前学習】前回の授業内容について，理解を深めておくこと。 【事後学習】講義の内容について，数式をチェックしながら十分復習すること。理解できない点については，その内容を整理し質問の準備をすること。 | 【事前学習】1時間 【事後学習】3時間 |
| 第14回 | ・エキゾチックハドロンの現状と展望 | 【事前学習】前回の授業内容について，理解を深めておくこと。 【事後学習】講義の内容について，数式をチェックしながら十分復習すること。理解できない点については，その内容を整理し質問の準備をすること。 | 【事前学習】1時間 【事後学習】3時間 |
| 第15回 | ・まとめと課題 | 【事前学習】第1〜14回の授業内容について，復習しておくこと。 | 【事前学習】（4時間） |
その他
| 教科書 |
使用しない。
必要な資料は，その都度配布する。
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| 参考資料コメント 及び 資料（技術論文等） |
（1）S. Navas et al. (Particle Data Group), The Review of Particle Physics (2024), Physical Review D 110, 030001 (2024) (https://pdg.lbl.gov/)
（2）永江知文 著 『ハドロン物理学入門［ISBN: 978-4-7853-2924-2］』 （裳華房） 2020年 第1版
（3）B.ポッフ, K.リーツ, C.ショルツ, F.サッチャ 著／柴田利明 訳 『素粒子・原子核物理入門 改訂新版［ISBN: 978-4-621-06134-3］』 （丸善出版） 2012年 第1版
（4）A. Das, T. Ferbel 著／末包文彦・白井淳平・湯田春雄 訳 『素粒子・原子核物理学の基礎～実験から統一理論まで～［ISBN: 978-4-320-03467-9］』 （共立出版） 2011年 第1版
（5）川村嘉春 著 『相対論的量子力学［ISBN: 978-4-7853-2510-7］』 量子力学選書 坂井典佑・筒井泉 監修 （裳華房） 2012年 第1版
（6）日笠健一 著 『ディラック方程式 相対論的量子力学と量子場理論』 臨時別冊・数理科学SGCライブラリ-105 （サイエンス社） 2014年 第1版
（7）国広悌二 著 『クォーク・ハドロン物理学入門 真空の南部理論を基礎として』 臨時別冊・数理科学SGCライブラリ-100 （サイエンス社） 2013年 第1版
（8）Fayyazuddin, Riazuddin, A MODERN INTRODUCTION TO PARTICLE PHYSICS［ISBN-13: 978-981-4338-83-7］, World Scientific, 2012, 3 edition
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| 成績評価の方法 及び基準 |
授業への取組状況50％，レポート課題への取組状況50％の割合で総合的に評価する。 |
| 質問への対応 | 授業終了後又は電子メール等により，随時対応する。 |
| 研究室又は 連絡先 |
E-mail：yamada.kenji＠nihon-u.ac.jp |
| オフィスアワー |
木曜 駿河台 12:10 ～ 12:50 【場所】１号館１階 講師室
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| 学生への メッセージ |