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セ ル ン エル エイチ シー C E R N と L H C 計画 と ヒッグス粒子 V5b, 2013.12.16 T. Kondo (KEK) 2012年7月4日 ヒッグス粒子発見の発表 新聞がトップ記事として伝えた 2 2013年10月8日 2013年ノーベル物理学賞受賞者の発表 ピーター・ヒッグス（イギリス） フランソワ・アングレール（ベルギー） 受賞理由： 万物に質量を与えるヒッグス粒子の存在を 理論的に予言した（1964年）。 3 CERN(セルン）研究所 ・1954年に発足した。 ・加盟国： ヨーロッパを中心にした21カ国 ・年間予算： 約1,000 億円 ・職員： 約2,500 人 ・ユーザー： 約10,000人（世界71カ国から） ・1990年 WWWを発明した。 ・15年かけてＬＨＣ加速器を建設し、現在運転中。 4 ここに http://atlas.kek.jp/sub/video/CERN-MOVIE-2004-005_digest_oldPart.mov を貼り付ける。 CERNの昔の映像 （http://cdsweb.cern.ch/record/809062 より抜粋） 5 LHC トンネル 27 km 実験装置 ATLAS CMS ALICE LHCb 計画承認 1994 建設完成 2008 建設費 ～１兆円 6 LHC 加速器と実験装置 CMS ALICE トンネル周長 27km 設計値 エネルギー 7+7=14 TeV 8TeV (57 %) ルミノシティ 1034 cm-2s-1 7.7×1033 (77 %) 陽子数/バンチ 1.15×1011 1.6×1011 (139 %) ビームバンチ数 2808 ATLAS 2011/4/21 達成値（%）2012.8.25現在 1380 (50 %) LHCb 7 CERN理事会における日本政府代表 与謝野文部大臣 ダルマ CERN DG Chris Llewellyn Smith 1995年6月23日 に与謝野馨文部大臣がCERN理事会に出席し日本によるLHC建設 協力を表明した（非加盟国の中では日本が最初）。その後も日本は資金協力を行い、 総計138.5億円の建設資金協力を行った。 8 LHC建設に貢献した主な日本企業 推定規模 億円(註) 古河電気工業 LHC加速器 超伝導ケーブル ～20* 新日本製鐵 LHC加速器 双極電磁石の特殊ステンレス材 ～50* 東芝 LHC加速器 収束用超伝導四極電磁石 ～15* ＪＦＥスチール LHC加速器 電磁石用非磁性鋼材 ～5* カネカ LHC加速器 電磁石用ポリイミド絶縁テープ ～10* IHI (+Linde) LHC加速器 低温ヘリウムコンプレッサー ～20* 東芝 アトラス 超伝導ソレノイド ～10 浜松ホトニクス アトラス,CMS, LHCb シリコン検出器, 光電子増倍菅,光検 出ダイオード ～10 川崎重工業 アトラス,CMS LArカロリメター容器, 鉄構造体 ～10 林栄精器 アトラス ワイヤーチェンバー ～5 東芝 アトラス 信号読み出し集積回路 ～2 ソニー アトラス 検出器信号アンプ ～1 ジーエヌディー アトラス トリガー用電子回路 ～1 フジクラ アトラス 耐放射線性光ファイバー ～1 クラレ アトラス シンチレーションファイバー ～1 有沢製作所 アトラス 銅箔ポリイミド電極シート ～1 （註）推定規模は、部分的な情報から推定しており、実際の契約額と相当にずれている可能性があります。 あくまでも企業の貢献の規模の目安にすぎません。＊印は日本による建設協力資金が使用された事を示す。 古河電気工業 新日本製鐵 東 芝 浜松ホトニクス 9 LHC加速器の超伝導マグネット 1232台の超伝導マグネット（二極） を使って陽子ビームを曲げる。 磁場は8.33テスラ。 断面図 ・２つのビームパイプ。 ・1.9 K （-271℃）まで冷や 10 す。 超伝導とは 金属を冷やしていくと電気 抵抗が突然ゼロになる現象 （1911年に発見された） 温度 0 大電流を流すことができる -265oC 超伝導の応用： ・ リニアモーターカー 強い磁場を作る ・ 磁気共鳴画像（MRI） 高いエネルギーの粒子を曲げる 11 ここに http://atlas.kek.jp/sub/video/LHCMagnets.mov を貼り付ける。 LHCマグネット組立・設置とビーム （http://atlas.kek.jp/sub/video/LHCMagnetBeam.mov） 12 建設中のアトラス実験装置 2005年11月 13 東芝京浜工場で製造中の超伝導ソレノイド 1998年 14 シリコンセンサー 浜松ホトニクス 回路組立 栃木セイコー フレキ回路基板 日本メクトロン（茨城県） 日本・英・米などで製造されたシリコン検出器 15 ATLAS : 日本が担当者た検出器の例 端部ミューオントリガー装置 (日本＋イスラエル＋中国) つくば市 つくば市 神戸大学 セルン地上 セルンの地下実験ホール 16 CERNを利用するユーザーの国別分布（2011年6月27日現在） 71カ国から 10482名 加盟国： 62 % オブザーバー国：29 % （日本 1.8 %） 国別順では アメリカ 1786 名 イタリア 1406 名 ドイツ 1220 名 ロシア 822 名 フランス 905 名 イギリス 732 名 ・・・・・・ ・・・・・・ 日本 190 名 男女別年齢分布 20歳代 60歳代 17 2008年9月10日 LHCで初めてビームの周回に成功した（世界に放映）。 この時のBBC映像は http://cdsweb.cern.ch/record/1125916 にある（公開） 18 LHCの運転状況（１日分） ビーム１の陽子数 入射時に失敗 4 TeVでトラブル発生 ビーム２の陽子数 ビームのエネルギー 衝突実験中 ビーム加速と調整 ビーム入射 ビームダンプ 19 陽子ビームバンチの形状と衝突 0.3mm (衝突点では16 mm) 160億個の陽子 ～14 cm バンチ数は1380個 リング全体で44 兆個の陽子 衝突回数：毎秒２千万回 アトラス実験で観測された陽子バンチ衝突イベント 15個のpp衝突が見えている 20 ここに http://atlas.kek.jp/sub/video/atlas-movie-japanese_digest.mov を貼り付ける。 日本語ナレーションのビデオ （http://www.atlas.ch/multimedia/atlas-movie-japanese.htmlより抜粋） 21 電子（e） 陽子（p） クォーク 水（H2O） 酸素（O） 中性子（n） 分子 原子 クォーク 素粒子 22 u u d 陽子 u d d 中性子 u u クォークの不思議 ・ 裸（単独）のクォークはない。 ・ 電荷量が分数である。 u アップクォーク d ダウンクォーク 2 3 1 e e 3 ・ 強い力がクォーク間に働く。 パイオン 23 素粒子の標準模型 質量 mg=0 mg=0 mW=80 GeV mZ=91 GeV ヒッグス粒子のみ未発見だった。 24 自然界には４つの力が存在する 強い力 > 電磁磁気力 クォーク間に働 き陽子を作る 光・原子・分子・ 宝石・携帯電話・ 電波・雷・テレ ビ.. > 弱い力 >>> 太陽/星・放射能 …... 重力 落下りんご 月・太陽・ 星・・・体重 力を伝える粒子 グルーオン 質量 = 0 光 質量 = 0 Ｗ粒子, Ｚ粒子 (グラビトン) 陽子の１００倍 （質量 = 0） これが質量の問題 25 太 陽 核融合反応 陽子 + + 重水素 電子 + エネルギー ニュートリノ 陽子 弱い力 26 太陽内の核融合反応の実際 陽子 陽子 u u d u u d u d d u d u 重水素 W 電子 弱い力を 伝える粒子 ニュートリノ 27 この５０年間物理学者を悩ませた問題： 電気を伝える光：質量はない！ （到達距離=無限大） しかし なぜWに質量があるのか？ （到達距離=非常に短い） d u W 電子 弱い力を 伝える粒子 ニュートリノ 28 自発的対称性の破れ (1959) 2008 CERNのT-shirt (お土産グッズ） 南部陽一郎 R.ブロウト F.アングレール, P.ヒッグス ヒッグスメカニズムの提案（1964) 1979 S.ワインバーグ A.サラム 電弱理論 の提案（1967） 標準理論の方程式 ヒッグス場（赤い部分）がないと 素粒子が質量を持てない。 29 高 温 の 宇 宙 冷 え た 現 宇 宙 光 mg 0 u mu 0 W mZ 0 光 mg 0 u H H H H H W H H H H H H HH H H H m Z 80385 MeV H m u 2 MeV ヒッグス場の海 （弱い力の海） 30 2012年7月4日 CERNはヒッグス粒子（らしきもの）を観測したと発表 ここに http://atlas.kek.jp/sub/video/CERN-MOVIE-2012-110_digest.mov を貼り付ける。 （http://cdsweb.cern.ch/record/1462525 より抜粋） 31 見つかったヒッグス粒子の候補イベント H -> g g ２つのガンマ線が発生してる。 H-> Z Z -> m m m m ４本のミュー粒子（赤線）が発生してる。 https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/AtlasPublic/EventDisplaysFromHiggsSearches を参照 32 ヒッグス粒子さがしの現状 アトラス実験チームの結果 ヒッグス粒子の質量 [GeV] CMS実験チームの結果 ヒッグス粒子の質量 [GeV] [公式発表] ２つの実験チームはヒッグス粒子とみられる新粒子 を質量125～126 GeV付近に観測した。 33 力の統一 = 物理学者の夢 現在 20 世紀 19世紀 量子色力学 強い力 磁気力 大統一? 電磁気力 マックスウエル 電気力 電弱理論 ? 17世紀 ヒッグス…… 弱い力 弱い力 地上重力 一般相対論 重力 ニュートン 天体重力 高いエネルギー 宇宙のはじめ 34 外側の星ほどゆっくり動くべき（A）なのに 同じ速度（B）で動いている ! → 10倍の暗黒物質が必要 35 重力レンズ効果 銀河の回転速度 銀河クラスターの衝突 暗黒エネルギー 銀河クラスターの運動 暗黒物質 LHCで発見 されるかも ３°Ｋ宇宙背景輻射 光を出す通常物質 我々の宇宙の４％しか理解してない！ 36 宇宙の歴史 LHCで10-12秒後までさかのぼる！ 137億年前 １ １兆 秒 30万年 宇宙が透明になった 現在 37 これから ・ ヒッグス粒子の性質をさらに詳しく調べ上げる。 ・ 2013-14年はLHC加速器を修理して衝突エネルギーを 7+7=14 TeVに上げる。 ・ 超対称性粒子や暗黒物質の探索を続ける。 ・ LHCは2023年頃に輝度を上げ2035年まで運転する。 ・ 並行して周長80~100kmの VHE-LHC加速器を検討する。 38 日本語のウエブサイト http://atlas.kek.jp には、発表・解説・写真・ムービー・記録・報道・歴史 などの数多くのリンク先が載っていて便利です。 39