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東京理科大 物理学特別講義B No.12 高エネルギー物理実験 ヒッグス粒子とLHC計画 2006年12月21日 近藤敬比古 高エネルギー加速器研究機構（ＫＥＫ） 1 研究に必要な加速エネルギー 大きさ 素粒子物理学 物質の根源を研究する 学問分野。 最近の加速器技術の急 速な発展により、次々 と新しい発見がなされ た。素粒子物理学関係 のノーベル物理学賞は かなり多い。 2 加速器の例 KEK 12GeV 陽子シンクロトロン （1975年11月完成～2006年3月停止） 素粒子物理実験 加速ビームを使って陽子の内部構 造を研究したり新しい粒子を生成し て研究する。 E = mc2 ビームエネルギーが高いほど 重い粒子を生成できる。 3 高エネルギー素粒子実験のための加速器 エネルギーフロンティアー加速器 最高の衝突エネルギーを実現して新粒子を発見する。 LEP@CERN（1989-2000) Tevatron@Fermilab (1986-2009) SSC@USA（途中で建設中止） 今回の講義項目 LHC@CERN（2007より運転開始） インテンシティフロンティアー加速器 素粒子を大量に生成して素粒子の精密測定を行う。 Bファクトリー：KEK-B@KEK（1998-）PEP-II @SLAC （1998-2008）→bクォークのCP非対称性の発見 J-PARC@東海村（2008-.....） 4 加速器のエネルギー LHC 陽子の質量 1950年 2000年 5 LHC (Large Hadron Collider) 周長27kmのLEPト ンネル（地下深度 ～100m）を再利用 して、LHC加速器を 2007年に完成させ て、重心系エネル ギー 14 TeVの陽 子・陽子衝突を実 現する。 参考：山の手線の 周長は約32km 6 LHC（Large Hadron Collider）計画 Large＝大きい 加速器リングの周長が27キロメートル（山の手線：32km） ビームエネルギーが７TeV（７兆電子ボルト） 現在の最高エネルギーはTevatron（米国Fermilab）で１TeV Hadron＝ハドロン 陽子・中性子・π中間子など強い相互作用をする粒子群の総称で、LHC の場合は陽子と重イオンのビームであることを示している。 Collider＝コライダー（衝突型加速器） 7 Why so large ? ・７TeVに加速された陽子をリングを一周させるためには、磁場を使っ て陽子を曲げる。 ・電磁気学よりローレンツ力: 速度vの電荷eを持った荷電粒子が電 場Eと磁場Bから受ける力Fは F eE v B であることより、光速の運動量 p の粒子が曲げられる曲率半径 r は r m p GeV/c 0.3 B Tesla で与えられる。[ ]は単位を示す。陽子ビームの エネルギー7000 GeVとLHC加速器マグネットの 強さ B = 8.36 Teslaを代入して r 7000 2791m 0.3 8.36 よって周長=2πρ=17.5 kmが得られる。他に 四重極電磁石や実験室など色々な設備が付く スペースが必要なので、実際には 27 ｋｍになる 8 Large 高いエネルギーがなぜ必要か？ （１） ・発見をめざしているヒッグス粒子の質量は200 GeV/c2付近にありそうである。 素粒子の名前 記号 photon/gamma γ 0 ニュートリノneutrino νe 3 eV/c2 以下 電子 electron e- 陽子 proton p 938.3 MeV/c2 中性子 neutron n 939.6 MeV/c2 Zボゾン Z boson Z ヒッグスHiggs H 114～1000 GeV/c2 トップクォーク top t 173.2 GeV/c2 光 未発見 質量（重さ）m 0.55 MeV/c2 91.2 GeV/c2 Note M=106 G=109 T=1012 問題：陽子の質量をアボガドロ数（NA=6×1023 mol-1）を使って計算せよ。 9 問題：陽子の質量をアボガドロ数（NA=6×1023 mol-1）を使って計算せよ。 ・ 水素原子は陽子１個と電子１個からなる。 ・ 水素の１ molはほぼ１グラムである（より正確には1.008 g)。 ・ 水素の重さの殆どは陽子の重さであるとすると、 mp 1g/mol 1g/mol 24 g 1 . 66 10 23 N AV 6.02210 /mol 1.661024 eV/c2 938 MeV/c2 32 0.17710 ここでグラムとエネルギー単位の電子ボルト（eV）の換算には次の式を使った 1.6 1019 Coulomb Volt 32 g 1[eV/c ] 0 . 177 10 2 8 310 m/s 2 1 電子ボルト（eV）は 電荷eを持つ電子が １ボルトの電位差で 得るエネルギー量 E=mc2 (Einsteinの質量公式） 例:Siのbandgap Eg=1.1eV 10 Large 高いエネルギーがなぜ必要か？ （2） ・ヒッグス粒子の予想される質量範囲は 114～1000 GeV/c2 である（後述）。 ・陽子はクォークとグルーオンからなるので、それらが運ぶエネルギーは親の陽子 のエネルギーのほぼ数分の１以下であるから 新粒子発生に使えるエネルギー ～ 全体の１０％程度 となる。従って、陽子ビームのエネルギーは Ep = 1000 GeV / 10% ～10 TeV 程度でなくてはならない。 EA EB 陽子の中のクオークとグルーオン分布 陽子・陽子の衝突による素粒子反応 11 Hadron : なぜビームは陽子なのか？ (1) ・ 加速器の種類：加速器ビームには安定した荷電粒子（e-, e+, p, pbar ）を使うので ４種類のタイプがある。 [1] 電子・陽電子衝突型 e - e ・Bファクトリー（KEK, SLAC）, LEP（CERN), ILC（国際リニアーコライダー） ・電子と陽電子が衝突消滅して１００%のエネルギーが粒 子生成エネルギーに使用できる。 ・電子は曲げると放射光（synchrotron radiation）を出して エネルギーを失うので、100GeV以上のリング型加速器 は不可能 （次ページ）。 ・ビームを曲げないで一気に加速するリニアーコライダー が2010年代の加速器計画として、技術開発中と設計が 進んでいる。 12 Hadron : なぜビームは陽子なのか？ (2) ・放射光の放出：一般に半径 r で回る質量 m、エネルギーEの粒子は、1周りで 2hc E U0 3r m 4 のエネルギーを放射光放出で失う．LEP のパラメーター r = 4.3 km, E = 100 GeV を入れると、 U0 2 1 4 197MeV fm 2 100 137 2.07 GeV 3 4300m 0.00051 と、電子が１ターンに2％ もエネルギーを失う．を補うためには超伝導RF空洞が 580mも必要になる。LEPがリング型の e+e-衝突加速器の限界である。 ・陽子の質量は電子の質量の1840 倍なので、 放射光エネルギー損失は電子の1013 分の1 なので、高いエネルギーまで簡単に加速できる。 13 Hadron : なぜビームは陽子なのか？ (3) [2] （陽）電子・陽子衝突型 e p ・HERA加速器（ドイツのDESY） 28 + 920 GeV ・陽子中のクオークやグルーオンの分布を調べるのに最適 ・新粒子生成には不向き [3] 陽子・反陽子衝突型 p p ・テバトロン（米国のフェルミラボ） 980 + 980 GeV p ・反陽子と陽子を同じビームリングの中でまわすことが出来 るので、１つの加速器リングでよい。 ・反陽子の大量生成が難かしいので高いルミノシティ（輝 度）を達成できない。 [4] 陽子・陽子衝突型 p p ・LHC（CERN） 7,000 + 7,000 GeV （建設中） ・陽子を２つのビームパイプの中で反対方向にまわす。 ・高いルミノシティ（輝度）を達成できるので、ヒッグス粒子生 成などの稀に起こる現象を研究できる。 ・新粒子生成などに利用可能なエネルギーは数分の１程度。 14 Collider : 衝突型が最高エネルギーを実現する ・新粒子の生成に必要なエネルギーは重心系エネルギー ECM である。 E p1 p2 p1 fixed target, 標的＝水素 4元ベクトル E E colliding beam , 陽子・陽子衝突 p1 (E, P, 0, 0) p2 (E, P, 0, 0) p1 (E, P, 0, 0) p2 (mpc2 , 0, 0, 0) ECM ( p1 p2 )2 E m c P (2 E m p c 2 ) m p c 2 2 2 p p2 2 ECM ( p1 p2 )2 2E 200 GeV 13.7 GeV 15倍の違い！ （ここで mp=0.938 GeV/c2, E=100 GeV とした。） 15 中間まとめ 陽子ビームを使うことで 最高エネルギーを実現でき る Large Hadron Collider 衝突型で最高エネル ギーを実現できる 最高エネルギーを達成するため トンネルは出来るだけ大きく 磁場は最大にとる。 → 金と時間がかかる！ 16 LHC計画の目的 １. 標準模型が予言するヒッグス粒子を 発見し、その性質を研究する。 ２． 標準模型を越える物理法則を探求する： 例：超対称性粒子の発見 余剰次元理論の検証 クォークの内部構造 17 標準模型（Standard Model） エネルギー領域 1 eV～1,000,000,000,000 eV で厳密に自然を記述する唯一の非常に 強力な素粒子理論 ！！ 18 標準模型と実験の一致の例： e+ + e- →クオーク 実線は標準模型による計算 19 標準模型の世界 力を 伝え る粒子 物 質 粒 子 第１世代 ク ォ | ク u アップ d ダウン レ プ ト ン 第２世代 第３世代 c 強い 相互作用 g t チャ ーム グ ル ーオ ン トッ プ s b ス トレ ンジ 電磁相互作用 ボ トム 光子 e 電子ニ ュ ー トリ ノ ニ ュ ー トリ ノ 弱い 相互作用 + - ニ ュ ー トリ ノ e 電子 W ミュ ー オ ン 補助場に 伴う 粒子 （未発見） W Wボ ゾン タウ Z Zボ ゾン ヒ ッ グ ス 粒子 20 水素原子 グ ル ー オ ン g を 交換す る こ と に よ っ て ク ォ ー ク 間に 引力が 生じ て い る （ 強い 相互作用） 電子（ レ プ ト ン ） q = - 1e + e u ー d g u 陽子： ３ つ の ク ォ ー ク から でき ている 光子を 交換す る こ と に よ っ て 引力が 生じ て い る （ 電磁相互作用） 21 相互作用 （力） ゲージ粒子を交換することによって力が伝わる！ 1935年 湯川秀樹：中間子を交換す ることによって陽子が結びつき原 子核を作ることが出来る。 p+ n n p+ 22 標準模型の世界 力を 伝え る粒子 物 質 粒 子 第１世代 ク ォ | ク u アップ d ダウン レ プ ト ン 第２世代 c チャ ーム s ス トレ ンジ 第３世代 強い 相互作用 g t グ ル ーオ ン トッ プ b 電磁相互作用 ボ トム 光子 e 電子ニ ュ ー トリ ノ ニ ュ ー トリ ノ 弱い 相互作用 + - ニ ュ ー トリ ノ e 電子 W ミュ ー オ ン Wボ ゾン タウ Z W Zボ ゾン 補助場に 伴う 粒子 しかしこれで全てではなかった。 （未発見） ヒ ッ グ ス 粒子 23 自然界には４種類の力が存在する 例：b崩壊 n→p+e-+n 陽子 e udu W udd n 中性子 24 自然界には４種類の力が存在する 例：b崩壊 n→p+e-+n 陽子 e udu 疑問点 (1) なぜ弱い力を伝える粒子（W,Z）のみ質量があるのか？ Mg = Mg = 0, MW ～ MZ ～80-90 GeV (100 Mp) (2) なぜ強い力は短距離しか届かないのか？ W udd n 中性子 25 疑問点 (1) なぜ弱い力を伝える粒子（W,Z）のみ質量があるのか？ (2) なぜ強い力は短距離しか届かないのか？ Quantum Color Dynamics (QCD 量子色力学) 電弱理論 （Glashow Weinberg Salam理論） ・ 1970年前半 D. Gross, F. Wilczek, D. Politzerが提案 ・ クォークは３種のカラー荷電を持 ちグルーオンを交換する。 ・ SU(3)C ・ クオークは単独に存在しない。 ・ 1979年 グルーオンの発見 ・ 2004年 ノーベル物理学賞受賞 ・ 1960年 S. Glashow, 1967年 S. Weinberg, A. Salam ・ ヒッグス場を導入して SU(2)L×U(1) の自発的対称性の破れを作って電 磁力と弱い力を統一した。 ・ 1970年後半多くの実験で確認される ・ 1979年 ノーベル物理学賞受賞 ・ 1983年 W, Z粒子が発見された。 ・ まだヒッグス粒子が見つかってない。 26 ゲージ対称性 ヒッグス場はなぜ必要か？ 波動関数の位相を 任意の場所で任意 に変えても運動方 程式が変わらない。 ・運動方程式はゲージ対称性を持つこと によりくりこみ可能（renormalizable）にな り計算上の発散を回避できる。 ・しかし粒子が質量を持つと運動方程式 朝永・Feynman・ Schwinger,1965 ノーベル物理学賞 のゲージ対称性が破れてしまう。 この矛盾の解決法 ・ 基礎方程式はゲージ対称だが、現実世 界はその対称性を破っているとすればい いー＞自発的対称性の破れ ヒッグス先生はゲージ理論では自発的対称性が破れても質量=0 の南部・ゴールドストーンボゾンが発生しないことを証明した。 Peter Higgs （英）27 自発的対称性の破れ 運動方程式は対称であるにも関わらず、現実の物理状態はその対称性 を破っている場合のこと： 例：磁性体 ・運動方程式は回転対称で 特別の方向を選ばない。 ・キューリー温度Tc以上で は個々の原子の磁化の方 向はバラバラである。 ・キューリー温度Tc以下で は磁化の方向が揃うので、 回転対称性が破れている。 しかし、どの方向が選ばれ るかはspontaneous（自然発 生的）である。 この方角が自然発生的に選ばれた！ 28 ヒッグス場の導入 スカラーのヒッグス場 f が存在するとし、そのポテンシャルエネルギーが 1 1 V (f ) 2f 2 f 4 2 4 で与えられたとする。 m2 が負ならば最小エネルギー状態（＝真空）では f が存在する。 真空期待値 1 v 246 GeV 2GF 真空 真空 宇宙の温度が高いとき 宇宙が冷えたとき 29 ヒッグス場の存在による質量（重さ）の創生の世俗的説明 真空は、スカラー場で満ちているとする。 W/Zボゾンやクォーク・レプトンは、ヒッグス場との相互作用のため、運動にブ レーキがかかり、それが質量だとみなすことができる。光などはヒッグス場と 結びつかないとすればよい。 30 ヒッグス粒子とその性質（１） ヒッグス場があれば、最低１種類のヒッグス粒子が存在 しなくてはならない。 ヒッグス粒子の質量： mH v 2 348 GeV しかしヒッグス場のself couplingλがわからないのでヒッ グス粒子の質量は予言できない。 ヒッグス場とフェルミ粒子（quark, lepton）の 結合定数はその質量に m mf f 比例する。 v 246GeV 31 標準ヒッグス粒子 の質量の範囲 Tribiality Bound: λのくりこみ群 方程式からλが発散または負に ならない領域が求まる。図の横 軸Λは標準モデルが破綻するエ ネルギースケール。大統一（1015 GeV）まで標準モデルが正しいと すると、 130 < mH < 180 GeV と予言される。ヒッグス粒子はか なり軽いらしい。 T. Hambye and K. Riesselmann, PR D55(1997)7225より 32 114 GeV LEPでの直接観測で見 つからなかった範囲 ヒッグス粒子の直接・間接探索 輻射補正項の中にmHが入って いるので実験データをfitすると、 mHの許される範囲が推定でき る。 横軸：SM higgs mass 縦軸：Dc2=c2-c2min 黒い線がすべてのデータを 使ったときの結果。青バンドは 理論の誤差。黄色は直接ヒッグ ス探査による除外区域。 http://lepewwg.web.cern.ch/LEPEWWG /plots/winter2006/ 33 力を 伝え る粒子 物 質 粒 子 第１世代 ク ォ | ク u アップ d ダウン レ プ ト ン 第２世代 第３世代 c 強い 相互作用 g t チャ ーム グ ル ーオ ン トッ プ s b ス トレ ンジ 電磁相互作用 ボ トム 光子 e 電子ニ ュ ー トリ ノ ニ ュ ー トリ ノ 弱い 相互作用 + - ニ ュ ー トリ ノ e 電子 W ミュ ー オ ン ヒッグス粒子が発見 補助場に 伴う 粒子 されれば標準模型が （未発見） 完結する ！ W Wボ ゾン タウ Z Zボ ゾン ヒ ッ グ ス 粒子 34 1980年代からの合言葉 最後の粒子:ヒッグス粒子を探そう！ ・ エネルギーを約1,000 GeVまでカバーすること。 ・ 電子・陽電子（e+e-）コライダー：技術的困難さあり。 ・ 陽子・（反）陽子（pp）コライダー： 技術的に可能。イベントが汚い。 SSC計画（米国）、LHC計画（CERN） 35 巨大計画競争： SSC（米国） vs LHC（欧州） L H C 計画 S S C 計画 E=20+20 TeV, L=1033cm-2s-1 周長87km, ～ 5千億→1兆円 1982年から米国内で検討開始。 1984年DOEがSSC設計のためのCDG をLBL研究所内に設置。 1987年レーガン大統領がSSC建設を テキサス州に決定。 1989年テキサス州にSSC研究所が設 立され、周長82kmの加速器トンネル 工事などが開始された。 E = 7+7 TeV, L=1034cm-2s-1 周長27km, LEPトンネル再利用 1987年：ルビア将来計画委員会が LHCを次期計画として選択。 1990-4年：実験装置の検討。SSC 計画の研究者らもかなり参加。 1994年： LHCの２段階建設を決定。 1995.5.10 ：日本による第１次LHC 建設協力(50億円)が発表された。 日本チームはSDC実験に参加。 1996年1月： ATLAS, CMSの承認。 1993年10月 SSCの建設中止が議会 で決定された。 1996年12月：2005年完成を決定。 2003年：2007年完成に変更。 2007年：加速器完成予定。 SSC難民 36 ＣＥＲＮ (Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire） ・欧州合同の高エネルギー物理学研究所 ・加盟国20カ国が国民総生産に比例して出資 ・年間予算 900億円 ・1954年設立 ・職員数 2500人 ・利用者数 全世界から6千人 ・加速器：PS (28GeV), ISR, SPS (450GeV), LEP (215GeV) LHC(14,000GeV) ・ノーベル物理学賞：３ World Wide Webの誕生地！！ CERN ジュネーブ CERN計算機部門の Tim Berners-Lee氏は、 世界中に散らばっている実験チームのメン バーの研究者間で、瞬時に同じ情報をアクセ スするにはどうしたらよいか悩んだ末、1990年 も年の暮れ近くにWebの発明に至った。最初 のWebに使われたNeXTStepというパソコンは CERNに陳列されている。 37 CERN創立50周年記念式典 2004年10月19日（火） @CERN スペイン国王 シラク フランス大統領 など 日本から森山元文部科学大臣が出席 ルビア、シャルパックらノーベル物理学賞受賞者 シラク大統領と森山元大臣 森山元大臣の現場視察はありがたい 38 CERN創立50周年記念オープンデイ 2004年10月16日 日本ブース 39 LHC Tunnel 27 km ring used for e+e- LEP machine 40 LHC計画の予算規模 （１）建設費 LHC加速器と土木工事 実験装置(factor ×1.5込み) ATLAS 529 MCHF CMS 518 MCHF ALICE 125 MCHF LHCb 75 MCHF CERN人件費（LHC分） 総 計 2950億円 1683億円 886億円 ～ 5500億円 （２）運転経費 CERNの経費（計算機含む） 225億円/年 外が出す実験運転経費（4実験を含む) 40億円/年 総 計 ～ 265億円/年 41 LHC加速器の主要性能 主リング周長 26.6 km 陽子ビームエネルギー 7.0 TeV (7×1012eV) ルミノシティ 1034 cm-2s-1 バンチ間隔 25 nsec (40 MHz) バンチ当りの陽子数 1011 ビームエミッタンス 3.75×10-6 m rad 二口径双極電磁石 1232台 双極電磁石長と磁場 14.2 m，8.36 Tesla 衝突点でのビーム半径 16 m バンチ衝突当りの陽子衝突 19 42 LHC加速器の主要性能 主リング周長 陽子ビームエネルギー ルミノシティ バンチ間隔 衝突頻度f バンチ当りの陽子数 NB ビームエミッタンス 超伝導ダイポール電磁石 ダイポール電磁石長 磁場 衝突点でのビーム半径 s バンチ衝突当りの陽子衝突 26.6 km 7.0 TeV (7×1012eV) 1034 cm-2s-1 25 nsec、40 MHz 1011 3.75×10-6 m mrad 1232台 14.2 m，8.36 Tesla 16 m 19 Luminosityの概算 11 2 4010 10 34 2 1 L 10 cm s 2 4s X sY 4 16m f N B2 6 43 570 f Cold-mass 1.9K CERNで組み立て中の 超伝導ダイポール thermal shield, 50K 194 Main Dipole 断面図：２つのダイポール磁場とビームパイプを一つのヨークと クライオスタットの中に入れる 2-in-1 型。Cold-mass部分は超流動ヘリウム を使って 1.9 K まで冷やす。 44 15.1 mm (both) strand数 : 28(inner), 36(outer) Rutherford type Cable 11850A @7T outer layer inner layer Strand inner, outer filament数： 8900, 6500本 filament径: 7 , 6 m Cu/NiTi: 1.65 , 1.95 Diameter: 1.065, 0.825 mm mm LHC Main Dipoleの超伝導コイル部 45 LHCマグネットの生産・検査・据付 1232台の超伝導ダイポールマグネットは、CERNが 技術開発し、欧州の３企業に技術移転して量産を 行っている。2006年10月まで全台数が納入される。 全数CERNで冷却・励磁検査を受け殆どが合格した。 2006年12月までに 1000台のマグネット が地下トンネルに据 え付けられた。 46 超伝導ダイポールマグネットの生産・検査・据付の経過 2007年のLHC加速器の完成に向けて順調にマグネッ トの生産や据付が進んでいる。 47 LHCのビーム衝突点 Low-b挿入用超伝導四極マグネット KEKが設計、東芝が製造 磁場勾配 = 215 T/m 長さ 5 m、口径 70 mm 2005年に18台の生産と検査を完了した。 コイルの断面図 超伝導ケーブルを巻く 作業（東芝京浜工場） コイルを検査するために垂直型 クライオスタットに入れる（KEK） 48 ビーム衝突点では、陽子ビームを10ミクロ ンの太さに絞りこむ。このためにレンズの 役割をする超伝導４極マグネットが必要で 日本と米国とが設計・製造した。 KEK製 Fermilab製 ビーム衝突点 49 CERNには加速器が多くありLHCへの入射ビームをつくる 7 TeV 450 GeV 27 GeV 50 LHC計画の近未来予定 2006年6月の理事会で承認されたスケジュール： 2006年10月：最後のLHCマグネットが納入される。 2006年12月：超伝導マグネットのテストは終了する。 2007年 3月：LHCマグネットのトンネル内据付完了。 2007年 8月：加速器リングを閉鎖する。 2007年11-12月：入射エネルギー450GeVで運転し、 900GeVの衝突を実現する。実験装置の試運転を行う。 2008年冬：ビームシャットダウン（約３ヶ月）。この 間に加速器と実験装置の最終調整を行う。 2008年春：ECM=14TeVでの物理実験を開始する。2008年 中に最初の物理結果を出す。 51 ＬＨＣ計画 ビデオ上映 １９分 52 直径 25 m, 長さ 46 m, 重さ 7000 ton, 建設費 500億円+α 53 地下実験室で建設中のアトラス実験装置 2005年11月 （超伝導ソレノイド＋中央カロリメターを中心に移動する直前） 54 アトラス 国際 共同実験 アトラス実験の国際チームは、 34ヵ国から151の大学・研究所が 参加し、研究者数が約1500名か らなるグループで構成される。 1994年にグループを発足し1996 年から約12年をかけて装置の設 計・建設を行なってきている。 Albany, Alberta, NIKHEF Amsterdam, Ankara, LAPP Annecy, Argonne NL, Arizona, UT Arlington, Athens, NTU Athens, Baku, IFAE Barcelona, Belgrade, Bergen, Berkeley LBL and UC, Bern, Birmingham, Bonn, Boston, Brandeis, Bratislava/SAS Kosice, Brookhaven NL, Bucharest, Cambridge, Carleton/CRPP, Casablanca/Rabat, CERN, Chinese Cluster, Chicago, Clermont-Ferrand, Columbia, NBI Copenhagen, Cosenza, INP Cracow, FPNT Cracow, Dortmund, JINR Dubna, Duke, Frascati, Freiburg, Geneva, Genoa, Glasgow, LPSC Grenoble, Technion Haifa, Hampton, Harvard, Heidelberg, Hiroshima, Hiroshima IT, Indiana, Innsbruck, Iowa SU, Irvine UC, Istanbul Bogazici, KEK, Kobe, Kyoto, Kyoto UE, Lancaster, Lecce, Lisbon LIP, Liverpool, Ljubljana, QMW London, RHBNC London, UC London, Lund, UA Madrid, Mainz, Manchester, Mannheim, CPPM Marseille, MIT, Melbourne, Michigan, Michigan SU, Milano, Minsk NAS, Minsk NCPHEP, Montreal, FIAN Moscow, ITEP Moscow, MEPhI Moscow, MSU Moscow, Munich LMU, MPI Munich, Nagasaki IAS, Naples, Naruto UE, New Mexico, Nijmegen, Northern Illinois, BINP Novosibirsk, Ohio SU, Okayama, Oklahoma, LAL Orsay, Osaka, Oslo, Oxford, Paris VI and VII, Pavia, Pennsylvania, Pisa, Pittsburgh, CAS Prague, CU Prague, TU Prague, IHEP Protvino, Ritsumeikan, UFRJ Rio de Janeiro, Rochester, Rome I, Rome II, Rome III, Rutherford Appleton Laboratory, DAPNIA Saclay, Santa Cruz UC, Sheffield, Shinshu, Siegen, Simon Fraser Burnaby, Southern Methodist Dallas, NPI Petersburg, Stockholm, KTH Stockholm, Stony Brook, Sydney, AS Taipei, Tbilisi, Tel Aviv, Thessaloniki, Tokyo ICEPP, Tokyo MU, Toronto, TRIUMF, Tsukuba, Tufts, Udine, Uppsala, Urbana UI, Valencia, 55 UBC Vancouver, Victoria, Washington, Weizmann Rehovot, Wisconsin, Wuppertal, Yale, Yerevan アトラス実験の国別財政分担・参加機関・研究者数（トップ１０） 国 直接建設費 MCHF 研究機関数 メンバー数 1 アメリカ合衆国 80.74 (17 %) 33 232 (18 %) 2 CERN 60.50 (13 %) 1 137 (10 %) 3 フランス 52.76 (11 %) 7 90 (6.9 %) 4 イタリア 45.09 (9.6 %) 12 141 (11 %) 5 ドイツ 40.00 (8.5 %) 10 109 (8.3 %) 6 イギリス 34.11 (7.3 %) 12 105 (8.0 %) 7 日本 32.18 (7.0 %) 15 61 (4.7 %) 8 ロシア 26.12 (5.6 %) 8 102 (7.8 %) 9 スイス 18.51 (4.0 %) 2 14 (1.1 %) 10 カナダ 15.08 (3.2 %) 7 40 (3.1 %) 34 合 468.41 (100%) 149 計 1,306 (100 %) 註：直接建設費＝装置の製造コストで開発・試験・offline計算機・人件費などは含まない。 数値は建設MoU(1998年)による。この他に建設費のオーバーコスト分が14%要求されている。 56 アトラス実験装置の中央部断面図 57 アトラス液体アルゴンEMカロリメター σ/E=10%/SQRT(E) Fine: 0.025*0.025 第一段目のη：π/γ 角度分解能 50mrad/SqrtE 58 アトラス建設 日本の分担（１） アトラスの中心部に磁場を形成するための超伝 導ソレノイドはKEKが設計し東芝が製造した。 コイル部完成＠東芝京浜工場（1999年） 励磁成功（2000年12月）＠東芝 CERNに到着（2001年9月） Maiani所長・Jenniらと LArクライオスタットへ据付(2004年2月） 59 アトラス超伝導ソレノイド 2004年7月5日CERN地上試験 成功後、地下実験室へ 2005年11月アトラス測定器に設 置 2006年8月最終位置での冷却励磁試験に成功 60 アトラス建設：日本の分担（２） 端部ミューオントリガー チェンバーの建設 カーボン塗布 ハンダ付 エポキシ接着 検査作業 自動ワイヤー巻き作業 KEKより神戸大への輸送 μトリガー用ワイヤーチェンバー：1200台を4年間で製造 61 アトラス建設：日本の分担（２） TGCチェンバーの神戸大での宇宙線テスト チェンバー毎に検出効率の分布をとる TGCチェンバーの検査ステーション CERNへの海上輸送はエアコン付きコ ンテナに入れて行なわれた。 62 アトラス建設：日本の分担（２） ＣＥＲＮでのTGCチェンバー据付作業 2005.7より地上でのチェンバー据付作業開始 TGCチェンバーの検査・調整 2006.7 地下実験場の据付開始 63 アトラス建設：日本の分担（2） μトリガー用の読み出し回路システム は日本が全て設計し製造している。 アトラス建設：日本の分担（3） 時間差測定用チップ アンプデスクリ回路（32万ｃｈ） 4種類のカスタムICの設計・ 製造・検査は困難を極めた。 チェンバー上に最終設置 されたトリガー回路 ミューオン飛跡検出器に用い られる高精度の時間差測定 のためのカスタムＩＣは、KEK の研究者のアイデアを生かし たのも（特許）。300 psの精度 で時間を測定する。４０万チャ ンネル分を製造した。 64 アトラスシリコン半導体検出器（日本も分担） Specifications: Strip pitch : 80 m Stereo angle : 40 mr readout channels ; 1536 ch ~ 5000 wire bondings Assembly accuracy < 5 m Parts: 4 Si sensor (浜松ホトニクス) 12 ABCD chips (DMill, 仏) TPG thermal conductor (米) Flexible hybrid circuit (日本) Fablication: Total: 2600 modules 980 in 日本 (best yield > 95%) 他 英国・米国・北欧 耐放射線性が必要：10年間で3x1014n/cm2 65 アトラス実験：シリコン半導体 検出器システムの組み立て 日本が設計・製造したロボットで2200台 のモジュールをマウント（Oxford大） 2006.5 地上で宇宙線を観測 2005～2006 シリンダー組み合わせ作業 66 CMS（Compact Muon Spectrometer）実験 SUPERCONDUCTING COIL CALORIMETERS ECAL Scintillating PbWO4 crystals HCAL Plastic scintillator/brass sandwich IRON YOKE TRACKER Silicon Microstrips Pixels Total weight : 12,500 t Overall diameter : 15 m Overall length : 21.6 m Magnetic field : 4 Tesla MUON BARREL Drift Tube Resistive Plate Chambers ( DT ) Chambers ( RPC ) MUON ENDCAPS Cathode Strip Chambers (CSC ) Resistive Plate Chambers (RPC) 67 粒子測定の概要 （LHC計画CMS実験の場合） 測定器内の反応が異なるので粒子を判別できる！ 荷電粒子 ：飛跡を残す γ, e ：電磁カロリメター内でシャワーを起す μ+,μ-：物質を突き抜ける π, K, p, n：ハドロンカロリメター内でシャワーを起こす シリコン半導体 飛跡検出器 電磁カロリメター 超伝導ソレノイド ミューオン検出器 ハドロンカロリメター 68 ＣＭＳの電磁カロリメター（PbWO4クリスタル） 69 LHCで発生する現象 p p → H → Z Z → μ+ μ- μ+ μ- (yellow tracks). 70 pp interactionでのいろいろな生成断面積 L=103４cm-2s-1でのrate Total rate: 109 Hz W boson: 2000 Hz S/N ~10-10 b quark: ~107 Hz >0.7TeV jet: 1 Hz 150GeV higgs: 0.3 Hz nb (nano-barn) =10-33cm2 重心系のエネルギー 71 ＬＨＣデータ解析とグリッド LHCの4実験で1年間に蓄積されるデータを全部 CDROMに焼いたとすると図のようになる。ATLASだけ で年間5PB(ペタバイト=1015バイト)に及ぶ。 raw data size 1.6 MB event rate 200 Hz ESD size 500 kB AOD size 100 kB 実験で取れたデータを世界に分散する 計算機センターに送り処理する。 グリッド：認証をもらった人は世界に分散したCPU資源を 使い計算することが出来る。 72 5th ATLAS Physics WS Rome 6-11 June 2005 76 72 68 64 60 56 52 48 44 40 36 32 28 24 14 12 10 8 6 4 2 0 20 Entries / 2 years Speakers age distribution 発表者の年齢分布 Age (years) グループ内の物理ワークショップ 441 registered participants 73 P g LHCでの標準ヒッグス粒子の生成 t t H t g ４種類の生成法が存在する P グルーオン融合 グルーオン融合 P q Ｖｅｃｔｏｒ Boson 融合 q'' W or Z H W or Z q' s(pb) q''' P Ｖｅｃｔｏｒ Boson 融合 生成断面積 P t g g t H t t P tt付随生成 P W or Z q q' W or Z H P W/Z付随生成 標準ヒッグス粒子の質量 （ＧｅＶ） 74 標準ヒッグス粒子の崩壊比（Branching Ratios） Excluded by LEP 標準ヒッグス粒子の質量 （ＧｅＶ） 75 標準ヒッグス粒子の研究で有力なチャンネルのまとめ 生成過程 崩壊過程 H →γγ グルーオン融合 Vector Boson融合 ttH ＷＨ H → ZZ → 4 l 有効な領域とその効能 110-140GeV Mass 測定 140-1000 GeV 発見・Mass, spin, coupling測定 H → WW 130-170 GeV 発見 H → ττ 110-140GeV 発見・Mass, coupling測定 H → WW 130-200GeV 発見・W coupling測定 H → γγ 110-140GeV 発見? (fakeの研究中）・ Mass測定 H → bb 110-140GeV Ybの測定（Trigger研究中) H → bb 110-130GeV H → ττ 110-130GeV H → WW 130-180GeV H → WW 140-170GeV Ytの測定 発見・W coupling測定 76 シミュレーションによるヒッグス粒子の探索例 120 GeVのヒッグス粒子 77 Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎによる標準ヒッグス粒子Ｈの発見可能性 アトラス実験：積分ルミノシティで 30 fb-1 (初期の約2年分） 8通りのHの崩壊 モードが使える 黒線がいろいろな モードを組合わせ た判定ライン 5 s 以上ならば発 見が確実である。 最初の１-2年 で発見できる！ ヒッグス粒子の質量 100GeV 300GeV 1000GeV 78 さらに未発見の世界へ 挑戦が可能になる！ 超対称性(Supersymmetry, SUSY) 超対称性：フェルミ粒子（スピン1/2）とボーズ粒子（スピン0,1）を入れ換える対称性 ここで L= left-handed成分, R= right-handed成分, s = spin 79 超対称性(SUSY)粒子が1 TeV付近にあると （low energy supersymmetry） ① 3つの結合定数が～1016GeVで一点に交わる →大統一できる。 ② ヒッグス粒子の質量の不安定性（微調整問題）の解決になる。 ③ 最も軽い超対称性粒子(LSP)は、暗黒物質の有力候補である。 しかし ④ 問題は、超対称性粒子はこれまで見つかっていないこと。 80 ① 大統一について 走る結合定数 running coupling constants 作用の強さを示す結合定数は、不確定性原理のため図のようなバーチャルな高次 のループ効果を含むため、反応エネルギー（q2）と共に変化する。 → 結合変数 gluon 例： 強い相互作用 （QCD, 量子色力学） の強さを表す結合定数 は右図を計算すると quark 3 q02 3 q 2 1 q 3 q 2n f 33ln 2 12 q0 2 0 2 トリスタン LEP q = 反応エネルギーの目安 q0 = 基準点のq nf = 6 (クォークの種類数） q (GeV) 強い相互作用の場合はエネルギーが高くなるほど力が弱くなる。 81 ① 大統一について ３つの相互作用（SU3×SU2×U1)の結合定数 3, 2, 1 を 高いエネルギーへ外挿すると、1 TeV付近にSUSY粒子群が 存在すれば、1025 eV付近で一点に交わることがわかった。 観測値 ３力の大統一 が可能である. SUSY-GUT U. Amaldi et al., Physics Letter 260 (1991) 447 LHCで到達できる部分 82 ② 微調整問題 Higgs粒子の質量の量子補正の問題 f H H スカラー粒子はフェルミ粒子のループによる質量補正を 受ける。ここで Lcutoff は新しい物理が出てくるエネルギー。 f 2 2 Dm 2 L 6 m cutoff f ln Lcutoff / m f ..... 2 16 2 -fH f f 2 H これが問題の源 もっとも大きい補正はtop quarkの場合で f ~ １である。 新しい物理が大統一のエネルギースケールまで存在しないとすると、 Lcutoff 1015 GeV DmH 1015 GeV mH 質量の量子補正が質量自身よりはるかに大きくなってしまう !!! 微調整問題（自然さ問題） と呼ぶ。 （注）quarkなどのfermionはこの質量補正は～ln(Lcutoff)なので問題ない。 83 ② 微調整問題の解決法 （下から眺めて）新しい素粒子物理が始まるエネルギーは １TeVより遥かに高いエネルギー １TeVのすぐ上のエネルギー Lcutoff = 1016 GeV （大統一理論） Lcutoff = １～１０ TeV ならば、質量補正の第１項 2 f 2L2cut off 2 16 をキャンセルするメカニズムが必要。 → Low energy SUSYモデル ならば微調整はそもそも必要ない。 → 余剰次元理論 リトルヒッグス理論 テクニカラー理論 ヒッグスレス 84 余剰次元理論 バルク Gr 重力子だけがバルク空 間へ自由に伝播できる 標準模型の力や粒子は すべてブレーン内に閉じ 込められている ブレーン（3次元空間） 85 超対称性粒子が１TeV付近にあれば大きな 量子補正項が完全にキャンセルできる。 ②微調整問題 H フェルミ粒子ループによる質量補正 f f 2 DmH 2L2cutoff 6m2f lnLcutoff / m f ..... 2 16 2 S スカラー粒子ループによる質量補正 H DmH2 -S|H|2 |S|2 S 2 Lcutoff 2mS2 lnLcutoff / mS ..... 2 16 超対称性があれば、1つのフェルミ粒子に対して２つのスカラー粒子が導入され、 DmH2 超対称性が完全なら 1 8 L 2 2 S f S 2 f 2 cutoff ......... なので、この項がゼロにできる（高次も含めて）。 不自然さは 86 ③ 暗黒物質 銀河の回転速度 NASA WMAP g~ 超対称性理論では、Rパリティ保存を仮定している。 Rp 1 3BL2S B = バリオン数、 L = レプトン数、 S = スピン値 p u 通常の粒子は RP = +1 、SUSY粒子は RP = -1 なので、 ① SUSY粒子はペアーで生成されなければならない。 p ② SUSY粒子が崩壊して最も軽いSUSY粒子 u g~ q （LSP, lightest supersymmetric particle)が残る。 ~ ~ n~ , g~ , h 0 , H 0 ~ 0 ）。 か、またはその混合状態（ニュートラリーノ c 1 ③ LSPは電荷を持たず中性である この結果 （１） LSP粒子は暗黒物質に適した性質を持っている。 （２） LSP粒子は測定器から抜け出る→横エネルギー損失 q g 通常の粒子（RP=+1） c~10 (LSP) SUSY粒子（RP=ー1） 87 LHCでのSUSY粒子発生のイベントシミュレーション ２つのニュートラリーノが発生し、 それらは測定器では捕まえられ ないで逃げてしまう。 横エネルギー ET が大きく見えなくなる。 ＣＭＳ 消失した横エネルギー量(GeV) 88 ④ 超対称性の破れの導入 SUSY粒子はまだ発見されていない -> 質量をつくり、結合 定数は元もまま残すには、超対称性は自発的に破れてい るとする。モデルとしていくつかある： ① MSSM （Minimal Super-symmetric Standard Model）: MSSM (見える領域） 標準模型に必要最小限の超対称性を取り入れて拡張した理論 それでも124個のフリーパラメーターが存在する。 ② mSUGRA (Minimal Super Gravity) 超対称性の破れが隠れた領域にある粒子群のみで起こり、 重 力 or メッセンジャー粒子 MSSM粒子とは重力を介してのみ相互作用する。 パラメーターが５つになる m02 , m1 2 , A, B, ③ GMSB (Gauge-Mediated Symmetry Breaking): SUSY破れの原因 (見えない領域） 見える領域とはメッセンジャー粒子を介して関係する。 LSPは通常グラビティーノで孤立ガンマー線が見える。 89 mSUGRAモデル LHC実験による 到達領域図 １年 @1034 １年 １ヶ月 １～２年の実験で 1 TeVまでの領域を ほぼ探索できる。 90 現在 BigBang 磁力 ＱＥＤ電磁力 電気力 電弱理論 弱い相互作用 大統一理論 ＱＣＤ 弱い力 強い力 地上重力 重力 天体重力 91 現在 BigBang 理解でき た領域 磁力 ヒッグス粒子 ＱＥＤ電磁力 電気力 電弱理論 SUSY粒子 弱い相互作用 大統一理論 ＱＣＤ 弱い力 強い力 地上重力 重力 SUSY理論必要 天体重力 92 ここが約６ヶ月遅れ！ 93 まとめ 標準模型は正確に自然を記述するが、その模型の根幹にあるヒッグス 場とヒッグス粒子が実験で確認されていない。ヒッグス粒子は114～ 1000 GeVの質量範囲にあるはずである。 CERNで全世界の国の協力でLHCの建設が2008年春の実験開始を目 指して進んでいる。 LHCは周長27kmの大型の陽子・陽子コライダーで、 ビームを曲げるために超伝導マグネットを使う。 14TeVの陽子・陽子衝突現象を測定する大型実験装置アトラスとCMS が急ピッチで建設中である。日本はアトラスに参加している。 ヒッグス粒子が1～2年程度のLHC運転で発見できる。超対称性粒子や 余剰次元など標準模型を越える物理を探索することが可能になる。 94 まとめ（過激版） 今は素粒子物理学の 革命前夜 95 休日にはスイスアルプスにも行ける！ 96