研究内容

本研究室では、素粒子物理学、なかでも特に標準理論を超えた素粒子理論の構築とそれを用いた宇宙の進化の理解とを目的として、研究を行っています。標準理論を超えた素粒子理論や初期宇宙論に関連する全般が研究対象となっています。特に主要な研究内容としては、
  • 素粒子模型の構築とその実験的検証方法の探求
  • 素粒子現象を記述する場の理論の理解
  • 宇宙進化のシナリオの構築
などがあげられます。

素粒子標準理論は、これまで行われてきたテラスケールまでの高エネルギー実験の結果をほとんど正しく説明することができます。しかしこれは、我々が究極の理論を手に入れたということではありません。むしろ、多くの素粒子物理学研究者は、さらに高いエネルギースケールにはきっと標準理論には含まれない未知の粒子が存在すると考えています。これは根拠の無い期待ではなく、むしろ標準理論に内在する「不自然さ」を解消するためにどうしても必要なことなのです。

宇宙の進化を理解する上でも多くの謎が残されています。例えば宇宙暗黒物質の起源、宇宙に反物質がほとんど存在しない理由、さらには宇宙初期に起きたと考えられるインフレーションのメカニズムなどについて、素粒子標準模型の枠内での説明は不可能です。これらの謎を解明し、正しい宇宙模型を構築するためにも、標準理論を超える物理は不可欠です。

標準理論に内在する様々な問題を解決し得る素粒子模型として特に興味を持っているのは、「超対称模型」と呼ばれる模型です。超対称模型にはボソン(スピンが整数の粒子)とフェルミオン(スピンが半奇数の粒子)がペアとなって現れるため、この模型は超対称粒子と呼ばれる新しい粒子の存在を予言します。超対称性を持つ理論の構造を理解すると共に、超対称粒子が自然界でどのような役割を果たしているのかを明らかにするため、本研究室では精力的に研究を進めています。

そこではまず、超対称粒子の質量の起源(即ち、超対称性の破れの起源)を理解することが必要になります。超対称粒子の質量の起源についてはこれまでにもいくつかの可能性が指摘されていますが、未だ満足のできる説明は出ていません。しかし超対称模型を構築するためには、超対称性の破れの問題を避けて通ることはできません。さらに、超対称模型は、正しい宇宙模型を構築する上でも極めて重要な役割を果たすと考えられます。例えば、超対称模型に含まれる超対称粒子のうちで最も軽い粒子は安定になることが知られていますが、その粒子が宇宙暗黒物質となるシナリオについては、我々を含む多くの研究者が興味を持っています。

一方、超対称模型以外にも、標準理論を超えた素粒子模型の可能性は様々考えられます。テラスケールより高いエネルギースケールの物理に関して、新たな可能性を探り、その検証方法を探求することは、これからますます重要となるでしょう。それと併せて、新たな素粒子模型に基づく宇宙進化のシナリオについてもさらに理解を深めたいと考えています。

ヨーロッパの陽子型加速器(LHC)は素粒子標準模型を超える物理のシグナルを発見すべく本格的に稼働を開始し、現在多くの成果を出しつつあります。また、B-中間子やニュートリノといった粒子のフレーバーの破れに関する実験、暗黒物質の直接及び間接検証実験、PLANCK実験をはじめとする宇宙背景放射の偏光揺らぎの観測、高エネルギー宇宙線の観測といった、LHC以外の実験や観測も数多く進められています。様々な素粒子実験や宇宙観測を視野に入れた理論的研究は、高いエネルギースケールの物理や初期宇宙の様相を明らかにする上で今まで以上に重要となると考えられ、今後一層力を入れていく研究テーマのひとつとなるでしょう。