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ハドロン物理の基礎から最近の話題について紹介する。ハドロンの諸性質の基礎は量子色力学だが、その困難な性質のため、クォーク模型、カイラル対称性などのアイデアが考案されてきた。この講義ではその基礎を解説したのちに、実験データとの比較に必要となる量子力学の散乱理論を解説する。束縛状態、共鳴状態など物理学の様々な分野に共通する普遍的な概念である。これらの紹介のちに、最近の話題であるエキゾチックハドロンの最新の進展を紹介する。
This lecture will introduce the basics and recent topics of hadron physics. The basis of hadron properties is quantum chromodynamics, but due to its difficult nature, ideas such as the quark model and chiral symmetry have been invented. In this lecture, the fundamentals will be explained for the study of hadrons. As a tool that connects theory and experiments, the scattering theory of quantum mechanics will be explained. Bound states, resonance states, etc. are universal concepts common to various fields of physics. These will be followed by an introduction to the latest developments in exotic hadrons.
ハドロン物理の基礎から最近の話題について紹介する。ハドロンの諸性質の基礎は量子色力学だが、その困難な性質のため、クォーク模型、カイラル対称性などのアイデアが考案されてきた。この講義ではその基礎を解説したのちに、実験データとの比較に必要となる量子力学の散乱理論を解説する。束縛状態、共鳴状態など物理学の様々な分野に共通する普遍的な概念である。これらの紹介のちに、最近の話題であるエキゾチックハドロンの最新の進展を紹介する。
This lecture will introduce the basics and recent topics of hadron physics. The basis of hadron properties is quantum chromodynamics, but due to its difficult nature, ideas such as the quark model and chiral symmetry have been invented. In this lecture, the fundamentals will be explained for the study of hadrons. As a tool that connects theory and experiments, the scattering theory of quantum mechanics will be explained. Bound states, resonance states, etc. are universal concepts common to various fields of physics. These will be followed by an introduction to the latest developments in exotic hadrons.
有限量子多体系である原子核は陽子と中性子で構成され、強い相互作用により様々な性質や構造が現れる。これらは原子核反応や崩壊の測定により実験的に解明されてきた。本講義では核子あたり数MeVから数百MeVのエネルギー領域における原子核反応・散乱実験について解説し、そこから明らかにされてきた原子核構造や集団運動状態について、最近のトピックスを織り交ぜて紹介する。
The nucleus, which is a finite quantum many-body system, is composed of protons and neutrons and have various properties and structures due to the strong interaction. These have been elucidated experimentally by observing the nuclear reaction and decay. Students will learn knowledge and experimental techniques of nuclear reaction and scattering experiments in the energy region from several MeV to several hundred MeV per nucleon. The experimental studies of nuclear structure and collective motion including recent works are introduced.
物理学の世界で重要なことは、ミクロの世界の 様々な少数粒子系（特に、3体系・４体系）の運動方程式を、精密に解いて 研究することであり、これにより、物理的な知見を深め、新しい発見や予言に至ることが しばしばある。そのためには、「量子力学の基礎方程式（シュレーディンガー方程式）を、3体問題・4体問題に対して、 精密に解く、適用範囲の広い計算方法」 の開発が不可欠である。特に原子核物理学では、核子間には強い力が働くために、その解き方の開発は容易ではない。ここで、原子核の基本的なことを学びつつ、原子核の研究に使用される計算法についても紹介していく。
In physics, it is important to precisely solve and study the equations of motion of various small systems of particles (especially three- and four-body systems) in the microscopic world, which often leads to new discoveries and predictions. For this purpose, it is essential to develop "a calculation method with a wide range of applications that precisely solves the fundamental equations of quantum mechanics (Schrödinger equation) for three-body and four-body problems. Especially in nuclear physics, it is not easy to develop such a method because of the strong forces between nucleons. in this lecture, we learn fundamental subjects in nuclear physics and I introduce the computational methods for nuclear physics.
物理学は自然現象を単純な基本法則をベースに統一的に理解しようとする学問分野です。現代社会ではこの物理学的なアプローチは自然科学のみならず人文科学・社会科学の分野でも有効な方法として展開されています。本講義では様々な自然現象に対するこの物理学研究の最先端をオムニバス形式で伝えます。
/Physics is a field of research that attempts to understand natural phenomena in a unified manner based on simple fundamental laws. In modern society, this physics approach has been developed as an effective method not only in the natural sciences but also in the humanities and social sciences. In this lecture, the cutting edge of physics research on various natural phenomena will be introduced in an omnibus style.
素粒子物理学は，物質の基本構成要素とその相互作用について研究することによって，我々の世界を理解しようとする学問である．本授業では、素粒子物理の考え方，素粒子物理学において重要な実験事実について解説し，素粒子物理の基礎を学習することを目的とする．
(この授業は，日本語を母国語と『しない』人のための授業です．）
The science of particle physics is to understand our world by studying particles which constitute the Universe and their interactions.
The purpose of this class is to explain the basic concept of the particle physics and important experimental facts, and to learn the basics of the particle physics.
Google Classroomのクラスコードは工学部Webページにて確認すること。
学部シラバス・時間割(https://www.eng.tohoku.ac.jp/edu/syllabus-ug.html)
原子核物理学や原子核工学に必要な基礎知識を得ることを目的として、本講義では、原子や原子核の性質を理解するための多粒子系の量子力学、シュレーディンガー方程式の近似解法に用いられる摂動計算、粒子の散乱や反応を記述するためのポテンシャル散乱の理論、X線やガンマ線放射の理解のための光の放射について学ぶ。
本講義は、Google Classroomを利用する。クラスコードは「fsnmp5j」である。
The class code for Google Classroom can be found on the Web site of
the School of Engineering:
https://www.eng.tohoku.ac.jp/edu/syllabus-ug.html (JP Only)
The purpose of this class is to achieve the basic knowledge for understanding nuclear physics and nuclear technology. In this class, students will learn about quantum mechanics for many particle systems for atoms and nuclei, perturbation theories to approximately solve some Schrodinger equations, potential scattering theories for describing particle scatterings and reactions, and photon emission for understanding X-ray and gamma-ray from atoms and nuclei, respectively.
本講義のためのGoogle Classroomのクラスコードは「fqnjjaj」である。
講義に関する各種連絡は当該Classroomを通じて行うので、受講者は忘れずに登録のこと。
本講義では、原子核の性質、原子核の構造、原子核の崩壊、放射線と物質との相互作用を理解するために必要な原子核物理学の基礎を学び、その応用として放射線検出器、粒子加速器、原子力及び核融合の基礎知識を得る。
In this class, students will learn about the introductory nuclear physics to understand nuclear properties, nuclear structure, nuclear decay and interaction of radiation with matter, and achieve the basic knowledge of radiation detectors and particle accelerators, and nuclear power generation (nuclear fission and fusion) as applications of nuclear physics.
この講義では量子スピン系における相転移現象を学習する。とくに連続的な対称性の破れを数学的に証明できる鏡映正値性の技術を解説し、応用として反強磁性 Heisenberg 模型の副格子磁化（staggered magnetization）の存在を証明する。
The purpose of this course is to learn about phase transitions in quantum spin systems. In particular, this course provides explanations of the technique called reflection positivity, which can be used to prove the spontaneous breakdown of continuous symmetry. As an application, this course also provides a proof of the existence of staggered magnetization in Heisenberg antiferromagnets.
原子核を構成する陽子・中性子は、クォークという素粒子から作られた複合粒子であることが分かっている。クォークは単体として陽子・中性子（ハドロン）から取り出すことは出来ないが、ビックバンにより宇宙が開闢した直後には、宇宙はクォークが自由に飛びまわるクォークのガス状態だったと考えられる。宇宙の膨張により温度が下がると、クォークは陽子・中性子の中に閉じ込められ、軽い原子核を作り、電子をまとい原子を形成した。さらに重力によって原子が集まり星が形成されると、星の中でより重い原子核（すなわち重い元素）が合成された。最終的には超新星爆発や中性子星合体によってさらに重い原子核が合成され宇宙にばらまかれ、我々の世界の物質を構成する様々な元素が作られていったと考えられている。これら全ての過程を統一的に理解することは、物質科学の出発点ともいうべき壮大なテーマであり、それこそが、現代の原子核物理学＝ハドロンや原子核など強い相互作用に支配されたクォーク多体系の物理学、の使命である。
本講義では、こうした物質進化の歴史に沿って、クォークからスタートして原子核物理学を概観する。また、どういう実験事実からそれが分かってきたのか、最先端の研究の状況はどうか（例えば、中性子星内部の未知物質を加速器実験で解明しようとする実験など）、といった点にも触れながら講義を行う。
It is known that the protons and neutrons that compose atomic nuclei are composite particles made of elementary particles called quarks. Although quarks cannot be extracted from protons and neutrons (hadrons) as single particles, it is believed that immediately after the creation of the universe by the Big Bang, the universe was in a quark gas state with quarks flying around freely. As the temperature dropped due to the expansion of the universe, quarks were confined in protons and neutrons, which formed light nuclei and then created atoms by clothing electrons. After that, gravity brought the atoms together to form stars, and heavier nuclei (i.e., heavier elements) were synthesized within the stars. Finally, supernova explosions and neutron star mergers produced even heavier nuclei and dispersed them throughout the universe to create the variety of elements that make up the matter in our present world. Understanding all these processes in a unified manner is a grand theme as the starting point of material science, and this is the mission of modern nuclear physics, i.e., the physics of quark many-body systems such as hadrons and nuclei governed by strong interaction.
In this lecture, I will give an overview of nuclear physics starting from quarks along the history of matter evolution. The lecture will also touch on what kind of experimental facts have led to this understanding, and the state of the art of research (e.g., accelerator experiments to elucidate unknown matter in neutron stars).