Transcript 「τレプトン物理の新展開」研究概要（大島）

国際的に対応を強く要請される研究
タウ・レプトン物理の新展開
代表者：大島 隆義（名大）
KEK Bファクトリー
（strong
interaction）
素粒子研究の焦点は、標準理論の検証から
未知の粒子の発見や新世界（New Physics) の探索へ。
最も重いレプトンであるタウ粒子は、New Physicsに感度高い。
タウ粒子を通して、New Physicsの探索を。
研究目的
タウ・レプトン物理の新展開
（H18年度から５ヶ年）
と
評価委員会
研究の推進方策や発展に助言を得る。
本研究の成果について評価を受ける。
具体的目的
New Physics探索（重点） と 標準理論の高感度検証
High Energyの世界＆標準理論では存在しない：
研究は
保存則の破れ！極度の稀現象
レプトン・フレーバ保存則の破れ (LFV)、
タウ・レプトン崩壊の非対称性 (CPV)、
電気双極子モーメント (EDM) の測定など
LFV
である。
標準理論の検証 (未検出反応の探索)：
セカンドクラス・カレント事象 (t → phn, pwn)、
ベクトル中間子(r, K*) の磁気双極子モーメント、
タウ・ニュートリノ質量の検出など
量子力学特有のvirtual states
n
t
標準理論
New
Phys
t
New Physics
New Physicsが発現するであろう
t+
探索の困難さ
 他の反応の寄与
 nが存在
e-
n
Br(分岐比) = O(10^-9)
e+
t-tag
の感度でのLFV探索を目指す。探索限界。
理論モデル
mSUGRA+seesaw
SUSY+SO(10)
SM+seesaw
Non-Universal Z’
SUSY+Higgs
Br(t)
10-7
10-8
10-9
10-9
10-10
Br(tlll )
10-9
10-10
10-10
10-8
10-7
三種の神器（３ points）：
(1) 高統計のデータ（数10億）
(2) データ解析能力
ノイズ（BG)
(3) 独創的研究能力
S/N
POINT(１)
Bファクトリー（KEKB-Belle）は、
３０億
未踏の世界最大量のタウ・データ（２０－３０億タウ対データ＝従来の2-3,000倍）を提供。
（世界最高の衝突強度を誇るわが国の）
（現在）
２０億
１０億
世界一の性能を達成
New Physics探索に世界的にユニーク、強力な研究手段。
分野での位置づけ、競合研究は？
この5年間（急速にデータが増加＝研究が加速）。
～30億事象→１０－９台の究極感度へ！
唯一わが国 (vs BaBar) でのみ研究可能。
LHC(14 TeV) vs B-factory(10 GeV)
直接探索
Virtual statesを通して
2007年実験開始予定
1,400倍のエネルギー差！
従来の研究費による成果
POINT(２)
研究計画の練度 と 達成可能な適切性
平成 ９－１２年度の特定領域研究（CP非保存の物理）A2班「直接的CP非保存の研究」
平成１４－１７年度の特定領域研究（質量起源の研究）A3班「タウ・レプトンの物理」
実験データの解析
分散型実験装置
高速コンピューター・システムの構築 と 解析資源の開発
膨大な測定データ量を解析 と その数倍のモンテカルロ擬似事象を生成。
バックグラウンド事象や検出器の稼動特性の確実な把握。
高エネ研を7－8倍上回るモンテカルロ事象数を生成。
高速データ通信網スーパーSINETの全利用率の５０％以上を占める
多量のデータの転送。
Super-SINET VPN (1Gbps) connection
for Belle experiment
e+e-  Bo Bo
阪大理
韓国
米国
台湾
など
東北大理
400 GB/day
~45 Mbps
1TB/day
~1Gbps
Belle測定器
10Gbps
170 GB/day
KEK計算センタ
東工大理
名大理学部
東大理
高エネルギー実験データ解析実験施設
タウ解析センター
として機能！
MSSM+Seesaw：
t→ の研究
POINT(３)
Photonic diagram
Nagoya cutsなど独創的な手法を開発
Br(t->) < 3.2x10-7
New Physicsに感度ある領域へはじめて突入！
J.Ellis, J.Hisano, M.Raidal and Y.Shimizu, PR D66 (2002) 115013

Single event sensitivity
e
t→h の研究
独自の物理観から
SUSY Higgsに感度高い崩壊を発掘
Higgs
SUSY
米国FNAL実験を大きく上回る成果を得る
CLEO
BaBar
Belle
電気双極子モーメントの探索
独自の物理観から
CP/T/CPT非保存探索へ
LFV探索結果
New Physics
の世界へ突入！
Single event sensitivity
達成目標（到達限界？）
POINT(３)
Search for Lepton and Baryon Number Violating tau- Decays into Lambda-bar pi- and Lambda piY. Miyazaki, S. Eidelman et al., PLB 632, 51, (2006)
Search for lepton flavor violating decays tau- -> l- pi0, l- eta, l-eta‘, Y. Enari et al., PLB 622, 218 (2005)
Search for tau -> e gamma decay at Belle, K.Hayasaka et. al., PLB 613, 20 (2005)
A high statistics study of the decay tau - -> pi- pi0 nu(tau).
K. Abe et al., contributed to HEP-EPS 2005.
Measurement of the mass of the tau-lepton and an upper limit on the mass difference between tau+ and tau-,
K. Abe et al., contributed to LP 2005.
Search for tau - > e gamma and mu gamma, K. Hayasaka et al., Nucl.Phys.Proc.Suppl.144:149-154,2005.
Search for lepton and baryon number violating tau-decays into anti-p gamma, anti-p pi0, anti-lambda pi- and Lambda pi-,
N. Sato et al., Nucl.Phys.Proc.Suppl.144:179-184,2005
Search for new physics in lepton flavor violating tau decay at Belle,
Y. Enari et al., Int.J.Mod.Phys.A20:3346-3348,2005.
Search for the Lepton-Flavor-Violating Decay tau- -> mu- eta at Belle
Y. Enari et al., PRL93,081803(2004)
Search for neutrinoless decays tau -> 3l, Y. Yusa et al., PLB 598,103(2004)
EDM探索を行い、時間反転不変性
An Upper Bound on the Decay tau -> mu gamma from Belle
とともにCPT不変性の高感度検証
K.Abe, et al., Phys. Rev. Lett. 92, 171802 (2004)
Search for lepton and baryon number violating tau-decays into anti-p gamma,
に著しい業績を残した。
anti-p pi0, anti-lambda pi- and Lambda pi-, presented at ICHEP 04.
LFV事象を２０以上の崩壊モード
Measurement of the pi-pi0 spectral function in the decay tau- -> pi- pi0 nu/tau,
で組織的に探索し、世界ではじ
H. Hayashii et al., Nucl.Phys.Proc.Suppl.131:134-142,2004.
Search for the Electric Dipole Moment of the tau lepton,
めてNew Physicsの影響が現れ得
K.Inami, et al., PLB 551, 16 (2003)
る領域にまで探索感度を上げる
Search for neutrinoless tau decays tau -> 3l and tau -> l K0(s),
成果を挙げている。
Y. Yusa et al., Nucl.Phys.Proc.Suppl.123:95-101,2003.
Search for the electric dipole moment of the tau lepton,
国際会議TAU04の日本での開催と
K. Inami et al., Nucl.Phys.Proc.Suppl.123:74-81,2003.
その成功は、このような実績が
Search for tau -> mu gamma decay at Belle, K. Abe et al., contributed to LP01.
世界的に大きく評価された結果
A search for the electric dipole moment of the tau lepton, K. Abe et al., contributed to LP01.
である。
Search for neutrinoless tau decays tau into e/mu K0, K. Abe et al., contributed to LP01.
Study of CP/T invariance using tau decays at Belle, K. Inami et al., BCP4, 2001.
Search for CP violation in tau semileptonic decay tau+ -> pi+pi0nu/tau,
H. Hayasaka et al., BCP4, 2001.
Search for CP/T violation in tau decays at Belle, K. Inami et al., Nucl.Phys.Proc.Suppl.98:329-335,2001.
Search for the lepton flavor violating decay tau -> l K0, A. Abashian et al., BCP4, 2001.
CP/T test with tau leptons at Belle: Examination of T/CP invariance in e+e- -> tau+ tau- -> e mu+nuetrinos,
A. Abashian et al., contributed to ICHEP 2000.
Search for CP violation in tau semi-leptonic decay tau+ -> pi+pi0 nu/tau,
A. Abashian et al., contributed to ICHEP2000.
Tau physics at Belle, T. Ohshima, Nucl.Phys.Proc.Suppl.76:487-493,1999
Examination of T/CP invariance in the e+e- -> tau+tau- reaction,
T. Ohshima et al., Prog. Theo. Phys. 99, 413-421, 1998.
TAU04 at 奈良
POINT(３)
研究手法が確立した。
研究組織を質的にアップし、
先鋭的にNew Physicsを探索する。
（１） 研究者集団を組織
物理探索∝人的資源
BファクトリーからLHCへと展開も
国際研究者ネットワークを強化
グループ会議
手法の議論
状況の報告
成果の発表
Belleの国内外の研究者でタウ物理研究体制をすでに構築。
一月一度のTV研究会議で研究報告、意見交換、
緊密な解析作業を実行中。
BINP
奈良女
国内外の
理論研究者
東工大
ITEP
台湾
名古屋大学
高エネルギー実験
データ解析施設
タウ解析センター
VIP
東北大
Super-SINET
実験・MCデータの転送
KEK
評価委員制度：
LFVの探索
研究テーマ
t→ , e
t→ h, eh, p0, ep0, h, eh, r, ef f
t→ eee, , e, ee
t→ hh, ehh, Ks, eKs
e+e- → t
バリオン数非保存の探索
t→ p, pp0, ph, Lp
CP/ T対称性の検証
EDM（t→ enn, nn, pn, rn）
磁気双極子モーメント（t→ K*n, rn）
スペクトラル関数の測定
t → pp0n
崩壊分岐比の測定
2nd class currentの検出（t → phn, pwn）
t→ fpn, fKn
tの質量測定
t→ 3pn, 5pn
•外国人研究者の招聘
（学振やCOEの招聘制度ですでに5－6名来日）
•国際会議開催
（国内研究会を年間１－２回開催）
研究の推進方策や発展に助言を得る。本研究の成果について評価を受ける。
（２） 解析資源の確保
解析システム活用のノウハウ（実績と成果あり）：
住み分け、研究の分担 （KEK：解析データ準備や共同研究のサポート）
大学は独自の物理課題に集中（融通性、指向性を持つ効率よい運用と維持）。
外部資金（科研費）を投入し、毎年システムを増強
データの増加には、施設システムのみでは追いつけない！
既存のシステム（システム構成やネットワーク構成ならびに各種機器）がバックボーンとして存在する。
一事象＝約５０ＫＢ ⇒ ～２００ＴＢ／年の生データ；
同程度の立体再構成データを蓄積 ⇒ 数～１０倍のシミュレーションデータが必要
グループの力量に見合った規模。
必要な計算サーバー能力：５０ GB/年
必要なファイルサーバー能力：１６０ TB/年
計算機システム＝大学グループの主体性、独自性を発揮するのに適した分散型実験装置である。
（3） さらなる感度向上に → 新考案の粒子検出器を開発研究
光検出器（MCP-PMT)に新局面！
17
ま と め
世界最強度のわが国のKEKBファクトリーは前人未踏の大統計量のタウ・データを
供給する。千載一遇の好機を利用して、タウ物理の解析拠点（タウ解析のメッカ）を
形成し、検出限界までにNew Physics(Higgs, SUSY)探索を行うことを目的とする。い
ま（この5年間）が本研究を進める最重要時期である。
研究体制（解析体制、解析手法、国際協力体制、コンピュータ・システムなど）は独
創的アプローチにより、すでに確立でき、成果を挙げている。規模の拡大により、質
的な飛躍をねらう。
世界のタウ物理研究をリードし、新しい素粒子世界の発見に向けて、主導的かつ
集中的に推進する。このことは、国際的に重要である。
最前線の研究は大学院生を教育し、若手研究者を育成している。
研究目的：
タウ物理の世界的拠点形成
New Physics探索
と SMの高精度検証
重点：（１）解析集団を組織
（２）計算機資源の確保
（３）研究進展の方向性を模索
SuperB ＆
LHC-ATLAS
Look for New Physics
＆ Establish Elementary Particle Picture (Standard Theory)
Higgs, SUSY, dark-matter, extra-dimension
SuperB-Factory
LHC 2007年
B-physics (B-Factory)
Tau-physics (B-Factory)
New Particle detector devises
(Cherenkov Lights /w Photodetectors)
Belle-CDC: maintenance & dE/dX, tracking-calibration
●高エネルギー実験データ解析施設 ⇒ タウ解析センター
維持管理、増設、 計算資源の確保、MC生成、データ解析
外部ユーザーへのサポート
/e 
/e+h/h’/p
K*Kn
pp0n
/ e + V(r/w/f/ K*)
 タウ・レプトン物理の新展開（H18年度から５ヶ年）
と
評価委員会
 学術創成研究
 目的 ⇒ New Physics探索 と SMの高精度検証
 特徴 ⇒ 高統計データ（Belle）＆高エネルギー実験データ解析施設
実績とノウハウ
（タウ解析センター）
 研究課題 ⇒
タウ（LFV、EDM、2nd CC、・・・）
LHC-ATLAS
Detector R&D （TOP counter）
 組織 ⇒ 名大、奈良女、
BINP、 TAU-friends
名大（staffs:３、RA:５、M:５＋１）、奈良女（staff:１、M:１）
BINP（staff:２、D:３）、 その他
学術創成研究
「タウレプトン物理の新展開」
第一回ミーティング
1.
2.
3.
4.
5.
全体像
物理解析の展開
計算機資源の確保
研究組織の構成
評価委員会の構成
意義
推薦の観点（国際的対応が期待）と研究目的・計画の整合性
目的
素粒子研究は、わが国研究者による「粒子・反粒子世界の非対称性の検証 」（図： KEKBの写真 ）（BファクトリーKEKB-Belle）と
「ニュートリノ振動の検出」 （図：SuperKの写真） （神岡実験など）により大きく前進した。今後の研究はこれらの現象の背後に潜む未知の
粒子の発見やその世界の存在の検知に焦点が絞られる。この未知の物理（New Physics）は質量の重い粒子の崩壊過程にもっとも顕著に現れ
ると期待される。最も重いレプトンであるタウ粒子は、また、B中間子のような複合系でなく強い相互作用をせず崩壊の物理過程が明確であ
るため、New Physicsの発見に導く可能性が高い。 （図：quark-lepton＋Higgs&SUSY図）
世界最高の衝突強度を誇るわが国のBファクトリー加速器（図： KEKBの写真 ）は、同時に世界最大量のタウ崩壊データを提供し（図：
Luminosity図）（図：LEP-CLEO-Bの比較図） 、New Physics探索に世界的にもユニーク、かつ強力な研究手段をもたらしている。
このように高い可能性を秘めた状況下で、わが国が、世界のタウ物理研究をリードし、新しい素粒子世界の発見に向けて、主導的にかつ集
中的に推進することは、国際的に重要である。
計画
世界未踏の膨大なデータ量がさらに急激に蓄積されるこの5年間が（図：今後のLuminosity図） 、探索を一層加速できる絶好の時期である。
これはまた、唯一わが国のみが推進できる研究であり、世界から付託された課題でもある。タウ物理のフロンティアを構築し、New Physics
探索を先導的に進めてきた実績を高く評価し、この国際共同研究をさらに質的に大きく飛躍させ、研究の大きな流れを創成する。
目的・計画の妥当性
具体的、明確な目的設定 と 目的、計画、方法の独創性？
研究成果の貢献度？
研究計画の練度 と 達成可能な適切性？
従来の研究費での成果は期待通り？ 活用度？
実験的独創性
タウ研究は、B中間子の非対称性を主要研究課題とするBelle実験において、独自の物理的視点にもとづき、１０年ほど前からわが国の大
学研究者を中心として国際共同グループを組織し進められている。
具体的目的
本研究内容はNew Physics探索と標準理論の高感度検証となる。 （図：LFV、QE特有のvirtual contribution = HE physicsをLow-Eで汲み取る）前者には
レプトン・フレーバ保存則の破れ、タウ・レプトン崩壊の非対称性、電気双極子モーメントの測定など、後者にはセカンドクラス・カレン
ト事象、ベクトル中間子の磁気双極子モーメントの検出などが具体的に考えられている。前者に重点を置く。
NPが発現するであろうBr=O(10^-9)の感度でのLFV探索を目指す。 （図：LFV sensitivity図） EDM。 （図：EDM exp-data図） CP/T/CPT不変
性研究の独創性。
従来の研究と成果
←
研究計画の練度
と
達成可能な適切性
研究手法は、膨大な測定データ量を解析するだけでなく、その数倍のモンテカルロ擬似事象を生成しバックグラウンド事象の寄与や検出器
の稼動特性などを確実に把握する必要があり、充分強力な計算機システムをフル稼働させる必要がある。（図：data量、計算機システム＆ネット
ワーク）
現在までの実績としては、驚くべきことに高エネルギー研究所KEKを7－8倍上回るモンテカルロ事象数を生成し、さらに、高速データ通信網
スーパーSINETの全利用率の５０％以上を占める多量のデータの転送を行い、膨大な解析を進めている。（図：MC生成量、superSINET図）
Data量の増加に伴うシステムの補強。（図：増強図） タウ解析センター。（図：構成図）
（図：研究組織図）
従来の研究費による成果
タウの電気双極子モーメント探索を行い、時間反転不変性とともにCPT不変性の高感度検証に著しい業績を残した。例えば、平成１４－１７
年度の特定領域研究（質量起源の研究）A3班「タウ・レプトンの物理」ではレプトン・フレーバー非保存事象を２０以上の崩壊モードで組
織的に探索し、世界ではじめてNew Physicsの影響が現れ得る領域にまで探索感度を上げる成果を挙げている。
国際会議TAU04の日本での開催とその成功は、このような実績が世界的に大きく評価された結果である。
具体的目的
研究は
New Physics探索（重点）
と
標準理論の高感度検証
New Physics に直結 (標準理論では禁止)：
レプトン・フレーバ保存則の破れ (LFV)、
標準理論の検証 (未検出反応の探索)：
セカンドクラス・カレント事象 (t → phn, pwn)、
タウ・レプトン崩壊の非対称性 (CPV)、
電気双極子モーメント (EDM) の測定など
LFV
量子力学特有のvirtual states
New Physicsが発現するであろう
Br(分岐比) = O(10^-9)
の感度でのLFV探索を目指す。探索限界。
理論モデル
mSUGRA+seesaw
SUSY+SO(10)
SM+seesaw
Non-Universal Z’
SUSY+Higgs
Br(t)
10-7
10-8
10-9
10-9
10-10
Br(tlll )
10-9
10-10
10-10
10-8
10-7
である。
ベクトル中間子(r, K*) の磁気双極子モーメント、
タウ・ニュートリノ質量の検出など
New Physics ＝ 標準理論では存在しないもの ＆ High Energyの世界。
n
t
量子力学特有のvirtual states（中間状態）を利用。
t
New Phys
標準理論
従来の考えと矛盾： 保存則の破れ！
極度の稀現象である。
困難さ
+
 他の反応の寄与
 nが存在
t
３ points：
e-
(1)高統計のデータ（数10億） vs ノイズ（BG)： (S/N)
(2)データ解析能力
n
(3)独創的研究能力
tt
e-
bb
e+
e+
t-tag
uu,dd,ss  ee

t→ の研究
Nagoya cutsなど独創的な手法を開発
POINT(３)
Br(t->) < 3.2x10^-7
by K. Abe et al, PRL 92 (2004) 171802-1
New Physicsに感度ある領域へはじめて突入！
J.Ellis, J.Hisano, M.Raidal and Y.Shimizu, PR D66 (2002) 115013

Single event sensitivity
e