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The Standard Model of particle physics

Matter is divided into atoms, atoms into nuclei and electrons, nuclei into protons and neutrons, and nucleons into quarks. Particles that cannot be further divided are called elementary particles. The Standard Model is an effective theory of elementary particles and the interactions between them. It describes a framework in which Fermi particles, which constitute matter, and Bose particles, which mediate the electromagnetic, strong, and weak forces. Although the validity of the theory has been verified by various experiments, it has unsolved problems and mysteries, suggesting the existence of unknown physics beyond the model.

素粒子物理学の標準模型

物質は原子からつくられ、原子は原子核と電子から構成されています。原子核は陽子と中性子の組み合わせで成り立っていて、それらはさらにクォークが構成しています。電子やクォークは分割できない基本的な粒子という意味で素粒子と呼ばれます。素粒子物理学における標準模型は素粒子とそれらの間に働く力に関する有効理論で、物質を構成するFermi粒子と力を媒介するBose粒子が電磁気力、強い力、弱い力で相互作用する枠組みを記述します。様々な実験によってその正しさが検証されてきた一方、未解決の問題や謎を抱えており、標準模型を超えた未知の物理の存在が示唆されています。

The Standard Model can explain many phenomena by formulating the nature of elementary particles and the interactions between them. The Higgs mechanism by which matter acquires mass and the breaking of CP symmetry by generational mixing of quarks are also part of the Standard Model. The theoretical framework of the Standard Model was established in 1974, but its experimental verification required a high-energy particle accelerator, which was completed in 2012 with the observation of the Higgs boson by the ATLAS and CMS experiments at LHC.

標準模型は素粒子とそれらの間に働く力のあり方を定式化することで多くの現象を説明できます。物質が質量を獲得するHiggs機構も、クォークの世代間混合によるCP対称性の破れも標準模型の一部です。標準模型の理論的な枠組みは1974年に確立していましたが、その実験的検証には高エネルギーの粒子加速器が必要となり、2012年にLHCにおけるATLAS実験とCMS実験がHiggs粒子を観測したことで完成しました。

Unsolved problems in particle physics

The Standard Model has been very successful in various respects, but there are still mysteries to be solved. The existence of dark matter, neutrino masses, and the hierarchy problem are well known. However, there are many other unsolved problems as well. The Standard Model has 17 elementary particles and 19 parameters, but their origins are unknown. Why are there three generations of quarks and leptons? Why do only weak interactions break the CP symmetry?

素粒子物理学における未解決問題

様々な局面で大きな成功を収めてきた標準模型にも多くの謎が残されています。暗黒物質の存在やニュートリノの質量、階層性問題などがよく知られていますが、ほかにも様々な未解決問題があります。標準模型は17の素粒子と19のパラメーターを持ちますが、その起源はわかっていません。なぜクォークやレプトンは三世代なのでしょうか？なぜ弱い相互作用だけがCP対称性を破るのでしょうか？

The Standard Model can predict observables that can be experimentally verified precisely. In particular, the perturbation theory of quantum electrodynamics can calculate physical quantities with extremely high precision. By comparing theoretical and experimental results, we can investigate how accurately the Standard Model can describe nature. Some of the experimental results deviate from the theoretical predictions by the Standard Model, and are considered to be signs of new physics.

標準模型は実験的検証が可能な観測量を高精度で予言することができ、中でも量子電磁力学の摂動論はきわめて高い精度で物理量を計算可能です。理論値と実験値とを精密に比較することで、標準模型がどこまで正確に自然を記述できるのか調べることができます。いくつかの実験結果は標準模型による計算値と一定以上の水準で乖離しており、新物理の兆候と目されているものもあります。

Searches for physics beyond the Standard Model

Phenomena that cannot be explained within the scope of the Standard Model provide clues to new physics beyond the existing theory. The most obvious example is the observation of new elementary particles, where new particles of various types are being searched for in high-energy collider experiments and underground experiments.

Alternatively, quantum effects allow us to tackle areas that are beyond the reach of direct searches. We can search for events with extremely small probability using high-intensity quantum beams or high-intensity electromagnetic fields. Furthermore, it is possible to explore the slightest break in the Standard Model by comparing the results of precise measurements and calculations.

標準模型を超えた物理の探索

標準模型の範疇で説明できない事象は、既知の理論を超えた新たな物理の手がかりを与えてくれます。新物理の存在を未知の素粒子の観測で、様々な種類の新粒子が高エネルギーの衝突型加速器実験や地下素粒子実験で探索されています。

あるいは、直接探索では手の届かない領域に量子効果を介して挑むこともできます。大強度の量子ビームや高強度の電磁場を使ってきわめて低い発生確率しか持たない事象を探索する手法や、高精度で理論値が求められている物理量の測定精度をどこまでも高めていく方法で標準模型のわずかな綻びを探求します。

Muon and its property

Muons are subatomic particles classified as second-generation charged leptons. They are 200 times heavier than the electron and decay with a lifetime of two microseconds due to weak interactions. It was first discovered as a high-energy cosmic ray, and was later artificially produced using particle accelerators. Muons, like electrons and protons, have an internal degree of freedom called spin. Spin is often likened to the particle's rotation. As for muons, their spin can be imagined as a tiny azimuthal magnet.

ミュオンの性質

ミュオンは第二世代の荷電レプトンに分類される素粒子で、電子より200倍重く、弱い相互作用により2マイクロ秒の寿命で崩壊します。宇宙から飛来する高エネルギーの粒子として発見され、のちに粒子加速器を用いて人工的に生成されるようになりました。ミュオンは電子や陽子と同様にスピンと呼ばれる内部自由度を持っています。スピンはしばしば粒子の自転に喩えられますが、ミュオンに関しては極小の方位磁針のようなものと想像することができます。

Production and decay of muons

In experiments using particle accelerators, a proton beam is irradiated on to a target to produce pions, which decay into a muon and a neutrino. The muons emitted in this reaction are spin polarized. Furthermore, when we use the two-body decay of stopped pions, the muon's kinetic energy is monochromatic. These properties of the muon are of great use as particle beams.

ミュオンの生成と崩壊

粒子加速器を用いた実験では陽子ビームからパイ中間子を生成し、それがミュオンとニュートリノに崩壊する反応が利用されます。このとき放出されるミュオンにはスピンが特定の方向に偏っているという特徴があります。さらに、静止したパイ中間子を使えば生じるミュオンのエネルギーも単一の値になります。これらの性質はミュオンを粒子ビームとして取り出して利用するとき大いに役立ちます。

Applications of muons

Research using muons can be broadly divided into three directions. (1) experiments to search for unknown physical phenomena by precisely studying the properties of muons as elementary particles, (2) experiments to clarify the magnetic properties of matter and the electronic state of atoms by investigating how muon spin behaves in matter, and (3) experiments to analyze the constituent elements and internal structure of samples by using the interaction between muons and matter. Applications of muons range from basic and applied physics, radiochemistry, life sciences, and archaeological research.

ミュオンの利用

ミュオンを用いた研究には、大きく分けて三つの方向性があります。(1) 素粒子としてのミュオンの性質を精密に調べることを通して未知の物理現象を探索する実験、(2) ミュオンのスピンが物質中でどう振る舞うかを調べて物質の磁気的性質や原子の電子状態を明らかにする実験、 (3) ミュオンと物質の相互作用を利用して試料の構成元素や内部構造を分析する実験です。ミュオンの応用範囲は基礎および応用物理学、放射化学、生命科学、考古学研究まで多岐にわたります。

Muon spin rotation, relaxation, and resonance (μSR)

In μSR, spin-polarized positive muons are implanted into a material and used as microscopic magnetic probes. The muon spin evolves in the local magnetic field at its stopping site, and this time evolution is reconstructed from the anisotropic emission of positrons when the muon decays. By measuring spin precession and relaxation, μSR can reveal static and dynamic magnetic fields inside a material on a microscopic scale. This makes the technique useful for studying magnetism, superconductivity, diffusion, and other local electronic phenomena.

ミュオンスピン回転・緩和・共鳴法（μSR）

μSR法では、スピン偏極した正ミュオンを物質中に打ち込み、微視的な磁気プローブとして利用します。試料中に停止したミュオンのスピンは局所磁場のもとで時間発展し、その様子はミュオン崩壊で放出される陽電子の角度分布から読み出すことができます。スピンの歳差運動や緩和を測定することで、物質内部の静的・動的な磁場を微視的に調べることができ、磁性、超伝導、拡散現象などさまざまな物性研究に利用されています。

Depth-resolved μSR with ultra-slow muons

Conventional surface muons have sufficient energy to penetrate deeply into a sample, which limits their use for thin films and interfaces. At J-PARC MLF MUSE, ultra-slow muons (USM) are produced by laser ionization of thermal muonium emitted into vacuum. The resulting muons can be electrostatically accelerated to implantation energies of about 0.5–30 keV. By changing this energy, the mean stopping depth can be scanned and the magnetic properties near a surface can be measured as a function of depth. The U1A spectrometer has demonstrated depth-resolved μSR with a SiO₂/Pt multilayer sample and is being developed as a practical tool for thin-film and interface science.

超低速ミュオンによる深さ分解μSR

通常の表面ミュオンは試料の比較的深い位置まで入り込むため、薄膜や界面を選択的に調べる用途には制約があります。J-PARC MLF MUSEでは、真空中に放出した熱ミュオニウムをレーザーイオン化して超低速ミュオン（USM）を生成し、静電加速によっておよそ0.5–30 keVの範囲で試料への打ち込みエネルギーを調整できます。このエネルギーを変えることで平均停止深さを走査し、表面近傍の磁気的性質を深さの関数として測定できます。U1A分光器ではSiO₂/Pt多層膜を用いた深さ分解μSRを実証しており、薄膜・界面科学のための実用的な測定手法として開発を進めています。

Muons for fundamental physics

When looking for new physics using elementary particles, a particle with a larger mass tends to be more susceptible to unknown phenomena. On the other hand, heavier particles are more difficult to produce and have shorter lifetimes, limiting the possible experiments. Muon mass, lifetime, spin, production method, and decay mode strike a fine balance between the pursuit of precision and a search for undiscovered phenomena.

ミュオンと基礎科学

素粒子を探針として新物理を探すとき、質量の大きい粒子ほど未知の現象の影響を受けやすい傾向にあります。一方で、重たい粒子ほど生成が難しく、寿命が短くなるため可能な測定が限定されます。ミュオンは電子より重く、タウ粒子より寿命が長く、スピン偏極しており、スピンと相関した方向に電子を放出します。これらの性質は精密性の追求と未発見の現象の探索を絶妙なバランスで両立し、ミュオンならではのさまざまな実験を可能にします。

Muonic atoms

I am particularly interested in investigating the properties of exotic atoms involving muons to search for physics beyond the Standard Model. Atoms containing muons are virtually nonexistent in nature and are obtained in a facility using particle accelerators. Muons are 207 times heavier than electrons, so they exist much closer to the nucleus in an atom than electrons do. This property provides a special and ideal environment to study the interaction between an elementary particle and a nucleus.

ミュオンがつくる原子

私はミュオンがつくる特殊な原子の性質を詳細に調べて標準模型を超えた新たな物理現象を探索することに興味があります。ミュオンを含む原子は自然界にはほぼ存在せず、粒子加速器を用いた実験施設で作られます。ミュオンは電子と比べて207倍重いので、原子の中では電子と比べてはるかに原子核に近いところに存在します。この性質はミュオンを探針として素粒子と原子核との間の相互作用を調べる特殊かつ理想的な環境を提供します。