島根大学お宝研究Vol.13

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OfthefourforcesinNature(gravity,electromagnetism,"weakinteraction","stronginteraction"),theGrandUnifiedTheoryunifieselectromagnetism,weakinteractionandstronginteractionintooneforce.Thistheoryisconsideredtobethecorrecttheory,duetoindirectevidencesuchasitscapacitytoeasilyexplaintheextremelyprecisecoincidenceoftheabolutevalueoftheelectricchangeofprotonandelectron.TheGrandUnifiedtheorypredicts"protondecay",wheretheproton,whichissupposedtobestable,decaysveryrarely.However,thisphenomenonhasnotbeendiscoveredyet.Currently,protondecayisintenselysearchedforatthedetectorSuper-KamiokandeinKamioka,Gifu,andisplannedtobesearchedforatitssuccessorHyper-Kamiokande.Inourresearchproject,wehaveexaminedthetheoreticalstructureoftheGrandUnifiedTheory,andsurveyedthepossibilitythatprotondecayisdiscoveredatHyper-Kamiokande.図1　陽子崩壊のイメージ(c)Hyper-KamiokandeCollaboratio図2　ハイパーカミオカンデ検出器のイメージ図(c)Hyper-KamiokandeCollaboration◉プロジェクトリーダー　波場　直之NaoyukiHaba（学術研究院理工学系・総合理工学部担当・教授） Challenge for revealing the origins of matter and charge山田　敏史ToshifumiYamada（学術研究院理工学系・戦略的研究推進センター担当・特任助教） 御村　幸宏YukihiroMimura（戦略的研究推進センター・研究員）5研究者紹介概　要大統一理論は，自然界に存在する四つの力（重力，電磁気力，「弱い力」，「強い力」）のうち，電磁気力，弱い力，強い力を一つの力に統一します。同理論は，陽子と電子の電荷の絶対値が極めて高い精度で一致することを簡単に説明できる等の間接的証拠から，正しい理論と考えられています。大統一理論は，安定なはずの陽子が極めて稀に崩壊する「陽子崩壊」を予言しますが，この現象は未だ発見されていません。現在，陽子崩壊は，岐阜県神岡の検出器スーパーカミオカンデで精力的に探索され，その後継のハイパーカミオカンデでも探索される予定です。本研究で私たちは，大統一理論の理論構造を精査し，ハイパーカミオカンデで陽子崩壊が発見される可能性を調査しました。特色・研究成果・今後の展望自然界には，重力，電磁気力，中性子等の崩壊をつかさどる「弱い力」，クォークを結びつけて核子等を作る「強い力」の四種類の力が存在します。このうちの電磁気力，弱い力，強い力を単一の力で説明する「大統一理論」は，陽子と電子の電荷の絶対値が極めて高い精度で一致することを簡単に説明できることなどの間接的証拠から，正しい理論として有力視されています。大統一理論は，安定なはずの陽子が極めて稀に崩壊する「陽子崩壊」を予言しますが，残念ながらこの現象は発見されていません。現在，陽子崩壊は，岐阜県神岡の検出器スーパーカミオカンデ（ニュートリノの測定にも使用されています）で精力的に探索され，さらに，その後継として建設が決定したハイパーカミオカンデにおいてより高精度に探索される予定です。私たちは，大統一理論の理論構造を精査することで，「陽子崩壊がハイパーカミオカンデで発見できるのはどのような場合か」を明らかにしました。具体的には，理論が「超対称性」と呼ばれる特殊な対称性を持たず，かつある種の新粒子を含む場合，ハイパーカミオカンデで必ず，「陽子から陽電子＋π中間子への崩壊」が発見できることが分かりました。今後は，理論が超対称性を持つ場合に，別のモードである「陽子から反ニュートリノ＋K中間子への崩壊」が発見できるかどうか，調査します。社会的実装への展望ハイパーカミオカンデでは，高性能の光電子増倍管が使用される予定です。光電子増倍管の技術は，工業的応用が可能です。また，「陽子から反ニュートリノ＋K中間子への崩壊」を探索するにあたっては，隠岐に設置する構想がある液体アルゴン検出器が高いパフォーマンスを発揮します。そのため，ハイパーカミオカンデでこの崩壊の徴候が見つかった場合，より正確な調査のため，液体アルゴン検出器の設置が実現する可能性が高まります。この検出器に使用される液体アルゴンの製造・運搬技術は，工業に応用できます。陽子崩壊を通じた大統一理論の探究Probing the Grand Unified Theory through proton decay物質と電荷の起源の解明への挑戦