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Junpei Fujimoto | KEK | Japan

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Quantification 2 — the case of particle physics —

As in previous my blog, the quantification is the first step of physics. What do modern particle physicists quantify? I put two pictures. I think you see these kinds of ones often. Those show the tracks of particles produced by the accelerator, so called ‘events’. Elementary particles are so tiny, then we can’t see them directly but we have technology to observe where they passed through.

Japan's first bubble chamber, built by KEK, tracked production of two pairs of electron-positron.Image credit : KEK

Japan's first bubble chamber, built by KEK, tracked production of two pairs of electron-positron.Image credit : KEK

The first picture was taken early in 70’s at KEK with the bubble chamber. The bubble chamber was designed as follows; when particles pass through the low pressured liquid hydrogen, particles initiate to create foams. Connecting foams, we can recognize tracks of particles by eyes. One often called this kind of pictures ‘cosmic dances’.

The second picture is an event figure taken by Belle from KEK, which shows the reaction after the collision of electron and positron of KEKB. Contrary of using the bubble chamber, this event was not observed by eyes, but was taken as the digital signal and was reconstructed using the computer.

Particle physicists accumulated this kind of events as much as possible like Tycho. Essentially they count not only the number of events but also get distributions of the direction, momentum and energy of scattered particles, which can be predicted with the theory. The theory contains the knowledge of all nature of particles and strength of forces between particles. If observed numbers and distributions are consistent with the prediction of the theory, then we can judge the theory is right or not.

Example of a fully reconstructd evrnt in the Belle detector.Image credit : KEK

Example of a fully reconstructd evrnt in the Belle detector.Image credit : KEK

前回述べましたように、数値化が物理学の第一歩です。では現代の素粒子物理学者はなにを数値化しているのでしょう?ここに2枚の絵があります。どこかで見たことがある絵ではないでしょうか?これらの図には加速器によって生成された素粒子の軌跡が描かれています。こういった図を「イベント図」と呼んでいます。素粒子というのはとても小さいのでもちろん目で見ることはできないのですが、その素粒子が通っていった跡を観測する技術があるのです。

一枚目の図は70年代のKEKの泡箱という装置で撮られたものです。泡箱では圧力の下げられた液体水素の中に加速器からの素粒子が入ってくると、それをきっかけにその素粒子の通った軌跡に沿って泡が生じます。その細かい泡のつながりが目でみえるようになります。当時はこうした泡箱による素粒子の軌跡図を「コスミックダンス」と呼ぶこともありました。

2枚目の図はKEKB加速器による電子と陽電子の衝突によって生じた素粒子反応をベル測定器によって捉えたイベント図です。泡箱のイベント図と異なり、これは直接目で見えたのではありません。ベルは巨大なデジカメと同じで、軌跡の情報を電子信号として記録し、計算機による解析により、軌跡を再構成することによって描かれたものです。

素粒子物理学者はこうしたイベントをチコ・ブラーエがしたようにできるかぎり多くしかも精密に集めます。そしてそのイベントの数を勘定します。また数だけでなく、記録した粒子がどこをどんな運動量とエネルギーを持って通り過ぎたのかといった分布も記録します。こうして記録したイベントの数や粒子の分布は理論によって予測することができます。理論にはすべての素粒子の性質や素粒子の間に働く力の大きさが考慮されているので、もし、実験から得られた生じたイベントの数や分布が理論の計算値とが一致していればその理論で考えた素粒子の性質は正しいということになるわけです。

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