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フレーバー物理の新展開 (山中 卓)

研究領域名

フレーバー物理の新展開

研究期間

平成18年度~平成23年度

領域代表者

山中 卓(大阪大学・大学院理学研究科・教授)

領域代表者からの報告

1.研究領域の目的及び意義

 クォーク・レプトンの種類はフレーバーと呼ばれる。また同じ電荷を持つものが3種類ずつあり、それぞれを「世代」として区別している。素粒子の弱い相互作用は他の相互作用と違って、異なる世代の間に働く場合があり、これをフレーバー混合と呼んでいる。
 クォークは、弱い相互作用を媒介するWボゾンと反応して異なる世代のクォークに変化することが可能である。このクォーク混合の確率は、3×3の小林・益川行列で表されるクォーク間の混合の定数で決まる。
 また、中性のレプトンであるニュートリノは、弱い相互作用により電荷を持つレプトンからつくられるニュートリノが、異なる質量を持つ3つのニュートリノの混合した状態であるため、干渉により時間が経つと別の種類のニュートリノとして検出されるニュートリノ振動という現象を起こす。その確率は3×3の牧・中川・坂田行列とニュートリノの質量の2乗の差から決まる。
 標準理論の基礎定数の大部分は、これらの、クォーク・レプトン質量、および混合の定数で占められている。このことは、フレーバー構造の真の理解が未だに得られていないことを端的に示している。
 これらのことを踏まえ、本特定領域研究は、クォークとレプトン両者のフレーバー混合の過程を、世界最先端のK, B中間子、タウ、トップ、ニュートリノ粒子ファクトリー加速器と測定技術を用いて従来にない感度と精度で測定する(A01-A05)。また、実験と理論(A06)の両面からの総合的・有機的な研究によって、標準理論を検証し、それを超える新たな物理を探索し、クォークとレプトンの統一的な描像を得ることを目指す。

2.研究の進展状況及び成果の概要

1)クォークのフレーバー混合
 トップクォークの単一生成とBS・反BS中間子の振動の初観測 (A03)、B- →τν崩壊の初観測 (A02)などから小林・益川行列を精密に測定した。
2)クォーク遷移から探る新しい物理
 標準理論で抑制されているb→sの遷移を大量のB中間子を用いて調べ新しい物理を探索し(A02、A03)、超対称模型の枠組により理論解析した(A06)。また、s→d遷移を用いてCP対称性を破る新たな物理を探るJ-PARCの実験装置を建設した(A01)。
3)ニュートリノのフレーバー混合
 ニュートリノ振動のパラメータを高精度で決定した(A04)。また、ミューオン型ニュートリノが電子型に転換した事象を初めて6個発見し、牧・中川・坂田行列の未定パラメータを直接決定した(A04)。ミューオン型ニュートリノがタウ型に転換している事象も初めて観測した(A05)。このように別の種類のニュートリノが「出現」するという形で、ニュートリノ振動を初めて直接的に示した。
4)荷電レプトンのフレーバー転換
 標準理論で禁止される、タウレプトンの他のレプトンへの崩壊を探索した(A02)。その結果とニュートリノ振動の結果などから、ニュートリノ質量生成機構を含めた超対称模型において、超対称粒子の質量の許容領域を導出した(A06)。
 以上のように、クォーク混合について標準理論を精密に検証し、ニュートリノ振動の新しい形式を直接測定して、クォーク・レプトンの混合現象の理解を大きく進めた。このように多面的にフレーバー物理を推進し、分野の発展に大きく貢献した。

審査部会における所見

 A (研究領域の設定目的に照らして、期待どおりの進展が認められる)

1.総合所見

 本研究領域は、クォークとレプトンのフレーバー混合過程を、5つの独立した実験研究グループと、それらを有機的につなぐ理論研究グループにより多角的に研究し、標準理論の検証とそれを超える物理の追求を目的としたものである。東日本大震災及びイタリアでの地震によって一部の計画に遅れが出たものの、全ての計画研究において、具体的かつ大きな成果が得られたことは高く評価できる。クォークに関しては精密な理解が深化し、レプトンでは、初めてτニュートリノへの転換事象を観測したことや、θ13が大きいことを電子ニュートリノの観測で示す結果が得られた等の優れた進展があった。標準理論をより精密に検証していく中で、一部それを超える現象を示唆するデータが得られており、今後の分野発展につながる成果が得られたことは素晴らしい。フレーバー構造の理解は宇宙の成り立ちを知るカギであり、素粒子物理学にとどまらず、宇宙論や原子核物理等、多くの研究の基盤でもある。その意味で、本研究領域の成果の波及効果は高いと認められる。本研究領域による研究と研究体制の構築は、我が国が世界のフレーバー研究の中核拠点となる重要な役割を果たした。

2.評価の着目点毎の所見

(1)研究領域の設定目的の達成度

 「その領域全体の学術的水準が高く、研究の格段の発展が期待できる研究領域」とした当該領域において、東日本大震災及びイタリアでの地震によって一部の計画に遅れが出たものの、全ての計画研究において具体的かつ大きな成果が得られたことは高く評価できる。
 「研究の発展段階の発展の観点から見て成長期にあり、研究の一層の発展が期待される研究領域」としては、本研究領域の研究と研究体制の構築は、我が国が世界のフレーバー研究の中核拠点となる重要な役割を果たしたと認められる。少なくとも今後10年間は、J-PARCの運転とSuperKEKBの建設により、優れた成果が出るであろう。
 「その領域の研究の発展が他の研究領域の研究の発展に大きな波及効果をもたらす等、学術研究における先導的または基盤的意義を有する研究領域」としては、フレーバー構造の理解は、宇宙の成り立ちを知る上でカギとなっている。素粒子物理学にとどまらず、宇宙論や原子核物理等、多くの研究の基盤的部分でもあり、その成果の波及効果は高いと認められる。一方で、計画研究を中心にバランスの取れた研究が揃っているが、全体を統一的に表現する点で、もう少し工夫があっても良かったのではという指摘があった。また、総括班評価者の意見にもあるようにBファクトリー実験やニュートリノ振動実験は本研究グループが推進している研究であるので、本特定研究領域が主催する国際会議が開かれても良かったと思われる。

(2)研究成果

 「その領域全体の学術的水準が高く、研究の格段の発展が期待できる研究領域」としては、当該領域において、クォークに関しては精密な理解が深化し、レプトン側ではニュートリノに関して、初めてτニュートリノへの転換事象を観測したことや、θ13が大きいことを電子ニュートリノの観測で示す結果が得られた等の発展があった。ニュートリノ振動以外でも、全般的には標準理論をより精密に検証していく中で、一部それを越える現象を示唆するデータが得られており、今後の発展につながる大きな成果が得られた。
 「研究の発展段階の発展の観点から見て成長期にあり、研究の一層の発展が期待される研究領域」としては、本研究領域で研究を推進した、K、τ、B、t、νのフレーバー混合については、いずれも次世代の加速器実験で更に精度の高い測定が求められ、今後も発展する研究分野であり、本研究は、次世代への原動力として大きな役割を果たした。
 「その領域の研究の発展が他の研究領域の研究の発展に大きな波及効果をもたらす等、学術研究における先導的または基盤的意義を有する研究領域」としては、理論研究により超対称性理論や宇宙の進化モデルのパラメーターに制限をつけるなどの成果が上がった。さらに重要と評価できるのは、高計数化で安定に動作する光センサー等の検出器技術の進展に寄与したことである。
 本研究領域の実験研究はいずれも大型の国際共同研究であるが、科学研究費補助金のようなボトムアップの資金による、大学研究者が主体となった研究は、研究コミュニティーの健全さを保つ上で不可欠である。本研究領域で構築した研究体制は、それを実証したものとして高く評価できる。

(3)研究組織

 特に問題点はなかった。

(4)研究費の使用

 特に問題点はなかった。

(5)当該学問分野、関連学問分野への貢献度

 特に問題点はなかった。

(6)若手研究者育成への貢献度

 若手研究者の分野間交流が進んだことは評価できる。

お問合せ先

研究振興局学術研究助成課

-- 登録:平成24年12月 --