素粒子物理学の概観
−自然の階層構造と素粒子研究の歴史−
素粒子物理学ハンドブック
朝倉書店／2010.10
当館請求記号：MC55-J32
目次
目次
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1.
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1.1古代から核子の発見まで1
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a.電子の発見1
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b.放射能の発見4
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c.原子核と核子の発見5
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d.量子論と相対性理論10
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1.2素粒子物理学の誕生から標準模型に至る道11
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a.粒子と反粒子12
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b.ベータ崩壊とニュートリノ13
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c.核力の中間子論15
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d.相対論的な場の量子論の発展17
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e.パリティ非保存19
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f.奇妙な粒子と奇妙さの発見21
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g.ハドロンのクォーク模型22
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h.量子色力学25
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i.電弱統一理論25
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j.小林−益川模型27
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k.標準模型28
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1.3標準模型を超える統一理論へ29
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a.ニュートリノ振動と最小標準模型の修正29
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b.標準模型の不満足な点29
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c.ゲージ階層性問題とその3つの解30
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d.宇宙物理学と素粒子物理学の相互発展30
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2.素粒子理論
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2.1量子力学の基本と特殊相対論の概要33
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a.量子力学33
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b.特殊相対論49
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2.2相対論的波動方程式56
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a.ディラック方程式56
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b.相対論的波動方程式と場61
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2.3対称性と量子数67
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a.対称変換と保存則67
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b.離散的変換72
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c.連続的対称性とさまざまな量子数82
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d.カイラル対称性と量子異常86
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2.4粒子の生成・消滅と場の量子論90
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a.粒子の相互作用と場の理論の必要性90
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b.正準量子化95
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c.発散の「困難」とくりこみ理論101
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d.くりこみ群と有効結合定数105
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2.5ゲージ理論109
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a.ゲージ理論とは109
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b.電磁気学とU（1）ゲージ理論110
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c.非可換ゲージ理論115
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d.自発的対称性の破れとヒグス機構120
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e.非可換ゲージ理論の物理的性質124
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f.より一般的なゲージ理論133
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2.6超対称性と超重力理論138
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a.超ポアンカレ代数とその表現138
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b.超対称な場の理論140
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c.超対称性の自発的破れ142
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d.超重力理論144
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2.7量子色力学145
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a.概要145
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b.ハドロンのフレーバー量子数とクォーク147
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c.カラー量子数と漸近自由性149
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d.強い相互作用におけるカイラル対称性とその自発的破れ155
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e.高エネルギーハドロン散乱と摂動論的QCD157
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f.格子上の量子色力学160
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g.クォーク・グルオン・プラズマ165
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h.電弱相互作用と量子色力学168
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i.今後の方向169
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2.8電弱統一理論170
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a.低エネルギーの弱い相互作用170
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b.非可換ゲージ理論と電弱統一171
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c.SU（2）LＸU（1）Y対称性の自発的破れ173
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d.ゲージボソンの質量175
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e.ゲージボソンと一般の粒子との結合176
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f.クォーク・レプトンの表現177
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g.クォーク・レプトンのゲージ相互作用177
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h.SU（2）LＸU（1）Yの破れ方に対する実験的情報179
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i.クォーク・レプトンの質量180
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j.世代の構造181
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k.FCNC184
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l.ゲージアノマリーとクォーク・レプトンの関係185
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m.大域的対称性186
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n.ヒグス粒子186
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o.等価定理188
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p.高次補正188
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q.3ボソン結合189
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r.ニュートリノの質量190
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2.9CP非保存とフレーバー物理191
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a.CP非保存とフレーバー物理とは191
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b.K0-K（−）0混合193
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c.CPの破れ194
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d.BとKの関係196
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e.B中間子崩壊における巨大なCPの破れ197
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f.今後の展望199
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2.10ニュートリノ質量200
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a.ディラック質量とマヨラナ質量200
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b.ニュートリノの質量固有状態とフレーバー固有状態201
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c.ニュートリノ振動202
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d.ニュートリノ質量の模型206
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2.11標準模型を越える統一理論208
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a.標準模型の問題点208
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b.大統一理論211
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c.階層性問題219
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d.ヒグスの複合模型221
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e.超対称理論222
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f.余剰次元229
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2.12超弦理論234
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a.素粒子の相互作用と超弦理論234
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b.摂動論的な超弦理論236
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c.いろいろな超弦理論241
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d.なぜ紫外発散がないと信じられているか244
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e.パラメーターのない究極理論247
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f.ディラトンの真空期待値と非摂動効果248
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g.アノマリー相殺機構と矛盾のない超弦理論249
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h.Calabi-Yauコンパクト化を例とする「現実的な模型」の可能性251
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i.TデュアリティとDブレイン254
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j.Dブレインを用いた弦理論の理解257
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k.超弦理論と宇宙論259
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l.双対性260
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m.超弦理論の強結合極限とM理論261
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3.素粒子の諸現象
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3.1素粒子の世代265
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a.世代とは265
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b.ミューオン267
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c.ストレンジ粒子268
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d.2種類のニュートリノ270
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e.世代混合271
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f.GIM機構272
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g.チャームの発見274
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h.小林-益川理論275
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i.世代数は3か？277
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j.ニュートリノ振動278
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k.ミューオンの電子転換と超対称性280
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l.レプトンークォーク対応と量子異常281
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m.世代の謎283
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3.2量子電磁力学の検証284
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a.電子・陽電子衝突実験におけるQEDの検証285
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b.電子とミュー粒子のg-2の測定288
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3.3ハドロン物理292
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a.ハドロン反応292
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b.クォークモデルによるハドロンの分類300
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c.量子色力学の検証305
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3.4弱い相互作用329
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a.弱い相互作用とレプトン329
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b.K中間子343
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c.重い中間子354
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3.5標準模型の検証365
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a.Z，W粒子と標準模型の精密検証365
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b.ヒグス粒子の探索と将来377
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3.6ニュートリノ質量390
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a.ニュートリノ振動と直接測定390
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b.二重ベータ崩壊414
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3.7標準模型を超える物理現象419
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a.陽子崩壊419
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b.荷電レプトンのフレーバーの破れ425
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c.電気双極子能率430
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d.超対称粒子435
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e.アクシオンと暗黒物質443
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3.8宇宙からの素粒子452
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a.素粒子像を必要とする天体現象452
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b.宇宙線456
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c.宇宙線の検出と観測458
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4.粒子検出器
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4.1シンチレーター465
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a.有機シンチレーター465
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b.無機シンチレーター466
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c.光検出器467
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d.光収集方法469
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e.シンチレーター活用法470
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4.2チェレンコフ検出器472
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a.チェレンコフ検出器472
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b.水チェレンコフ・ニュートリノ検出器478
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4.3飛跡検出器485
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a.発展の歴史486
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b.ガスカウンターの基礎488
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c.平面ワイヤーチェンバー491
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d.大容積ドリフトチェンバー494
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4.4シリコン半導体検出器498
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4.5カロリメーター503
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a.カロリメーターの役割，期待される性能504
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b.シャワー過程506
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c.エネルギー測定手段510
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d.カロリメーターの実際例511
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e.今後の進展515
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4.6粒子検出器用超伝導磁石516
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a.粒子検出器における磁場516
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b.粒子検出器用超伝導磁石技術の進展518
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c.CERN-LHC計画における超伝導磁石518
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d.物質的に薄肉な磁石521
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e.これからの展望522
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4.7ビーム衝突型加速器用大型汎用測定器524
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a.大型汎用測定器の概観524
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b.運動量測定528
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c.粒子識別529
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d.電子・光子の識別530
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e.ミューオン識別532
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f.ジェットとニュートリノ識別533
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g.電子・陽電子衝突型加速器実験と陽子・陽子衝突型加速器実験における大型汎用測定器の比較534
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4.8データ収集システム536
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a.トリガーシステム537
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b.ディジタイザー538
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c.読み出し制御システム541
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d.イベントビルダー541
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e.高次トリガー543
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f.データ記録システム544
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5.粒子加速器
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5.1線形加速器547
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a.加速器の構成548
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b.進行波型加速管549
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c.定在波型加速管554
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d.加速器要素技術557
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5.2シンクロトロン561
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a.円形加速器の誕生561
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b.位相安定性の原理の発見とシンクロトロンの誕生562
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c.位相安定性の原理563
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d.ビームの集束とベータトロン振動564
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e.強集束の原理566
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f.高周波加速空洞569
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5.3衝突型加速器570
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a.重心系でのエネルギーと衝突型加速器570
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b.ルミノシティ571
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c.衝突型加速器の諸形態572
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d.ルミノシティの限界574
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e.将来の衝突型加速器576
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5.4世界のビーム衝突型加速器一覧577
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6.素粒子と宇宙
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6.1ビッグバン宇宙579
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a.相対論的宇宙論580
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b.膨張宇宙582
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c.ビッグバン586
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d.宇宙の構成要素593
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e.精密宇宙論599
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6.2暗黒物質603
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a.暗黒物質候補の一般的性質603
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b.模型604
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c.暗黒物質の直接探索604
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d.暗黒物質と初期宇宙605
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e.暗黒物質の非熱的生成607
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f.暗黒物質の間接的な探索608
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6.3インフレーション宇宙608
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6.4バリオン数生成614
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a.宇宙のバリオン数614
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b.バリオン数生成の条件614
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c.大統一理論によるバリオン数生成615
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d.アフレック−ダイン機構616
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e.スファレロン過程616
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f.レプトン数生成617
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g.電弱バリオン数生成618
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6.5暗黒エネルギー619
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7.素粒子物理の周辺
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7.1他分野への応用623
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a.自由電子レーザー623
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7.2医学利用630
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a.ポジトロンCT（PET）630
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b.加速器によるがん治療635
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c.高感度放射線検出器638
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7.3産業応用644
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a.電子線照射の環境汚染対策への応用645
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b.ナノテクノロジーにおけるイオンビーム応用647
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c.電子線の高分子化学工業への応用649
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d.電子線，γ線およびイオン照射の生物・農業への応用651
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7.4情報化社会への波及（ネットワーク・グリッドを含む）653
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a.素粒子実験と計算機技術653
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b.専用ネットワーク網の歴史654
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c.WWWの発明とインターネットの普及655
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d.プレプリントと電子論文656
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e.ソフトウェア技術657
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f.グリッドと分散処理技術657
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7.5素粒子研究における国際協力658
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a.国際協力推進の枠組659
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b.国際共同実験660
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c.加速器建設における国際協力661
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7.6マスメディア・文化の中の素粒子と現代社会663
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a.世界物理年と素粒子663
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b.マスメディアと素粒子664
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c.文化の中の素粒子665
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d.素粒子の科学と現代社会666
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索引669