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東邦大学理学部公開講座 2008 「究極の素粒子を求めて」 LHC計画 物質の重さの起源のヒッグス粒子 はもうすぐ発見されるか? 2008.9.13 ＠東邦大学 東邦大学理学部客員教授 近藤敬比古 （高エネルギー加速器研究機構名誉教授） 1869年、ロシアの化学者メンデレーエフは、 63種類 うまく並べて周期表を提唱し、当時まだ発見されて いなかったいくつかの元素の存在を予言した。 素物質の数の変遷 → 素の数=63 周期律表 横の覚え方 水兵リーベ 僕の船、 名前あるシップス。クラークか、 H He Li Be BCNOFNe NaMgAl Si P S ClAr K Ca ランラン♪セーラー服、ぷるぷる胸を。午後は澄まし て、 La Ce Pr Nd Pm Sm 周期律表 縦の覚え方 Ｈでリッチなけい子、ルビーせしめフランスへ。 H Li NaK Rb Cs Fr ベッドにもぐって、彼女とするのはバラ色さ。 Be Mg Ca Sr BaRa http://www.jergym.hiedu.cz/~canovm/vyhledav/varian20/jap3.html より ２０世紀は物理の時代！ 1897：J.J. トムソン （英）電子の発見 1906 1911：E. ラザフォード (新）原子核の発見 1908 1913：N. ボーア（丁） 原子模型を提唱。 素の数 = ３ (陽子と電子） 1922 加速器の発明 1929：E. ローレンス（米） サイクロトロンの発明 1939 from Lawrence's 1934 patent. 1945：シンクロトロン E. マクミラン（米） V. ベクスラー（露） 1951 KEKの 12GeV 陽子シンクロトロン（1975～2006） （ネプツニウム の発見） E. マクミラン シンクロトロンの原理 エネルギーに比例して磁場の強さを上げる。 高周波加速空洞 （電場サーフィン） 運動＝力 力 磁場 F e ( E υ B ) 電流 フレミングの左手の法則 （私は「宇治電」と憶えた。右 手は発電、左手はモーター） 加速器のエネルギー(対数目盛) 加速器の発達 LHC 陽子の質量 0.938 GeV (ジェブ） 1950年 2000年 予備知識 素粒子で使うエネルギーの単位 e V (electron-Volt) = エレクトロンボルト（電子ボルト） 粒子の重さ（質量）は E = mc2 を使ってエ ネルギー単位で示す。例として 100Vの電極で電 子を加速すると 100 eVになる。 目で見える光のエネルギー 2 eV X線のエネルギー 1 keV テレビの電子線エネルギー 10 keV 電子の重さ me 0.51 MeV 陽子の重さ mp 938 MeV LHCの陽子ビーム 7000 GeV 一匹の蚊の重さ 1000000000000000000000 GeV mp×NA = 1 グラム (NA=アボガドロ数=6.02×1023) MeV(メブ） =10 6 eV GeV(ジェブ）=10 9 eV TeV（テブ） =10 12 eV 8 高エネルギー実験 加速されたビームで新しい粒子を作る。 エネルギーが高いほど重い粒子をできる。 E= 2 mc 太陽・原子力 高エネルギー物理 A. アインシュタイン エネルギー質量等価則 1921 （光電効果） アルベルト・アインシュタイン語録 フリー百科事典『ウィキペディア』より 簡単な数字や記号を記憶することが苦手だった。 新聞インタビューで、光速度の数値を答えられず 「本やノートに書いてあることをどうして憶えておかなければならないのかね？」 とあるパーティーでマリリン・モンローから 「私の美貌とあなたの頭脳をもった子供ができたら、どんなに素晴らしいでしょ う」と言われた。彼は 「私の顔と、あなたの知能をもつ子供が生まれるかもしれませんよ」と切り返し た。 自分の相対性理論に関しては、 「熱いストーブの上に一分間手を当ててみて下さい、まるで一時間位に感じられ る。では可愛い女の子と一緒に一時間座っているとどうだろう、まるで一分間ぐ らいにしか感じられない。それが相対性です」 「無限なものは二つある。宇宙と、人間の愚かさの二つだが、前者については断 言できない」 あわばこ 検出器の例：泡箱（バブルチェンバー） ビ ｜ ム CERNでは3.7mの水素泡箱BEBC（左）を使っ て600万枚の写真（右）が撮られた。 1960 （過飽和状態の液体に粒子を通すとバブルができる） D. グレーザー（米） 素粒子バブル時代 1937 1947 ミューオン μ π パイオン 1950 (原子核乾板） 1950 中性パイオン π >1951 K K 0 ρ 1955 K η 0 0 N(1688). Δ 反陽子の発見 p 素の数 ＞ １００ Λ Σ Σ φ C. パウエル（英） 0 Ξ 0 Ξ . . . 1959 E.セグレ・O.チェンバレン（米） クォーク模型 1955 坂田モデル ： p,n,Λが基本粒子 1964 M.ゲルマン他によるクォーク模型 u d s アップ ダウン ストレンジ e e 2e 3 3 1969 M.ゲルマン（米） 3 クォークの名の由来： 「フィネガンズ・ウェイク」(ジェイムズ・ジョイスの小説）の中の鳥 がquark, quark, quark,と３回鳴いたというところから取った。 u u u アップ 2 e 3 d d d ダウン e 3 s s s ストレンジ e 3 統計問題→各クォークには３つの「色」を持っている。 π+ u d u 陽子 u d d 中性子 K- u d u 素の数 = 3！ s 1869 相当簡単になった。 しかし まだ完成してない。 1995 ちから （そうごさよう） 物質の間には力（相互作用）が必要 粒子を交換することによって力が伝わる。 1935 湯川の中間子理論 中間子を交換して引き合う。 湯川秀樹（日） ほんとうは中間子でなかったが 1949 力の概念が革新的だった。 p+ n n p+ 16 ４つの力 と 力を伝える粒子 強い力 電磁気力 弱い力 グルーオン 光 Ｗ、Ｚ粒子 スピン １ １ １ 「標準理論」が確立した。 みな性質が似ている→起源が同じだろう。 重 力 グラビトン ２ 相対性理論ー＞ 超重力理論など 標準理論その１：量子電磁力学（QED)の成功 1940年代 くりこみ理論 朝永・ファインマン・シュビンガーは 計算の中に出てくる無限大を回避 する方法を開発した。 S. 朝永 R. ファインマン J. シュビンガー → 精密な計算が可能になった！ 1965 「量子電磁力学の分野 における基礎研究」 ・例：電子の異常磁気能率 ae g2 2 実験 0 . 0011596521 8085 理論 0 . 0011596521 8870 実験も計算も実に大変だがこたえはひとつ！ e 粒子 e’ g e 粒子 仮想状態 無限大は仮想状態の 無限の和から起きる。 18 標準理論その２：量子色力学（QCD)の成功 問題点１） クォークは決して裸（単独）で存在しない。 問題点２） 強い力は短距離でしか働かない。 （答）クォークは３種の色を持ちグルーオンを交換する。 クォークが離れるほど力が強まる（ゴムひも）←漸近的自由性 D.グロス, D.ポリッツアー, F. ウィルチェック 「強い相互作用の理論にお ける漸近的自由性の発見」 2004 u u s d - d s 標準理論その３：弱い力を介するW,Zに質量があ る。 m m 0 問題点３） Ｗ、Ｚ粒子に質量がある。 g 問題点４） クォーク・レプトンに質量がある。 パリティの破れ 弱い力は左がお好き gluon （答） ヒッグス場が宇宙に存在し、Ｗ、Ｚ粒子やクォーク・レプ トンの質量を作る。← 「ゲージ対称性の自発的対称性の破れ」 電弱理論 （GSW理論) ・方程式はゲージ対称のままだが 真空はその対称性を破っている。 S.ワインバーグ, A.サラム, S.グラショー 1979 「電磁相互作用と弱い相互 作用の統一理論への貢献、 特に中性カレントの予想 」 ・ヒッグス粒子が必ず最低１種類 存在しなくてはならない。 Glashow-Weinberg-Salam 理論 2 2 1 1 2 † † † L L i g D L R i g D R W W B B D G e R L L R 4 4 e 1 where D ig W i g B Y , B B B , L , R e R 2 2 e L i ( x ) 1 2 SU(2) L 変換 : L e L , R R, W W ( x ) ( x ) W , B B g2 U(1) Y 変換 : L e Z cos W A sin W i ( x ) Y L, R e sin W W 3 , cos W B i ( x ) Y g2 L 2 h 2 1 4 よって、 mW 2 2 g W W 1 2 h g 2 , m Z 1 2 1 2 g2 8 cos W 2 g2 2 cos W [1] S. Wenberg, Phys. Rev. Lett. 19 (1967) 1264 1 W W , B B ( x) g1 R, e sin W , g1 e cos W ・ 自発的対称性の破 れた後では： SU ( 2 ) L U (1) Y U (1) Q , ( x ) 1 ZZ h mW cos W 2 0 1 2 h ( x ) 3 4 4h h 2 h 1 3 4 G e e e G e h e e 2 4 1 , m H 2 2 1 2 2 2 , m e G e , 1 2G F 21 246 GeV 自発的対称性の破れ 法 則 ： 対称性を守る 物理状態 ： 対称性を破っている 例：磁性体： 方程式は回転対称。 しかしキューリー温度 Tc以下で磁化の方向 が揃い、回転対称性 が破れている。どの方 向が選ばれるかは spontaneous（自然発 生的）である。 22 ヒッグス場による質量（重さ）の創生 • 真空はヒッグス場で満ちている。 • W/Z粒子やクォーク・レプトンは、ヒッグス場に 引かれ運動にブレーキがかかり質量をもつ。 • 光はヒッグス場と結びつかず質量 = 0 のまま。 現実の世界 真空の 対称性が ある場合 光速 光速 光速より も遅い 光速より も遅い 抵抗 抵抗 クオー ク レプト ン クオー ク 抵抗 W 光速 光 W 光速より も遅い レプト ン 光 光速 ヒッ グス 場の 海 23 なぜGSW理論は画期的か？ ・ 1971年トフーフトがGWSの電弱理論が くりこみ可能であることを証明し、計算 の無限大を回避できた。 ・ 全ての実験結果とぴったり一致する。 G.トフーフト, M.ベルトマン 「電弱相互作用の 量子構造の解明」 1999 注：なぜヒッグス粒子と呼ぶか？ 1964：スピン１で質量=0のゲージ粒子と自己相互 作用をもつスカラー粒子があるとき、自発的に対 称性の破れが起こると、ゲージ粒子が質量を持 つ。これは数学であり、弱い相互作用に応用した R.ブラウト , F. エングラー , P.ヒッグス のが S. ワインバーグと A. サラムである。 言い出したのはP. ヒッグスのほか数人いるのになぜか 「ヒッグス粒子」と呼ばれるようになってしまった。 24 現代の周期表 m gluon 0 mg 0 m W 80 GeV m Z 91 GeV ヒッグス粒子のみ未発見。この発見がLHC計画の目的。 ＣＥＲＮ研究所 CERN 欧州20カ国による合同研究所 1954年発足、年間予算：１千億円職 員数：2500人、ユーザー: 9000人 CERNはウエブ（Web）の誕生地 Tim Berners-Lee氏は、実験チー CERN ジュネーブ ムの情報交換のため、1990年暮 れにWebの開発に成功した。 26 LHC（大型ハドロン衝突加速器） 周長 27km 地下深度～100m 2007年完成 7 + 7 TeV = 14TeV 陽子・陽子衝突 (山の手線の周長 は約32km) 27 CERN研究所 (CERN.wmv) LHCの加速器と主な実験装置 C M S実験 アリス実験 アトラス実験 トンネル周長 26.6 km エネルギー 7 TeV ルミノシティ(輝度) 1034 cm-2s-1 ダイポール電磁石 1232台 LHCb 実験 29 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。 超伝導電磁石の断面図 ・２つのビームパイプ。 ・1.9 K （-271℃）まで冷や す。 LHC加速器の建設 (magnetＴｏＲｉｎｇ.wmv) LHC計画の進捗状況と近未来予定 • 2006.11 • 2007.2 • 2007.4 • • • • • 最後のLHC超伝導マグネット納入。 LHC超伝導マグネットの検査を終了した。 LHCの８分の１の1.9 K冷却に成功した。 LHC超伝導マグネットが全て地下運搬された。 2008.8.8 ビーム入射（時計回り）に成功した。 2008.8.22 ビーム入射（反時計回り）に成功した。 2008.9.10 ビームのLHCリング一周に成功（世界に放映）。 2008 .10-11 10 TeVの陽子・陽子衝突実験を開始する. 2009.春 14 TeVの陽子・陽子衝突実験を開始する。 ビーム状況 http://lhc-first-beam.web.cern.ch/lhc-first-beam/Welcome.html 32 2008.9.10 ビームのLHCリング一周に成功（全世界放映） http://cdsweb.cern.ch/record/1125916 ←クリックして上映 ビーム状況 http://lhc-first-beam.web.cern.ch/lhc-first-beam/Welcome.html 2008.9.10 ビームのLHCリング一周に成功（世界に放映）。 ビームの位置モニター（らしい） １周分 青（時計回り）に約１時間 赤（反時計回り）に３時間 ビーム状況 http://lhc-first-beam.web.cern.ch/lhc-first-beam/Welcome.html アトラス実験で見えた最初のビームイベント 2008.9.10 10.19.10 CEST 地下実験室で建設中のアトラス実験装置 2005年11月 36 （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） アトラス実験の建設 (ATLAS_construction.wmv) グリッド アトラス実験の年間データ量 5 PB (ペタバイト=1015バイト) 世界に分散する計算機センターに送る。 使う計算機が自動的に割り当てられる。 38 ヒッグス粒子発生のシミュレーション p p → H → Z Z → μ+ μ- μ+ μ- (yellow tracks). 39 ヒッグス粒子発見はいつか？ 発見可能性はヒッグス粒子の質量 mH に依存する。 ３年後 ２年後 １年後 ただし 加速器の 調子に依る。 100 200 500 1000 ヒッグス粒子の質量 mH (GeV) 階層性問題 ヒッグス粒子の質量 mH は大きな量子効果を受ける。 プランクエネルギー 1019 GeVまで新物理がない場合は、 mH の量子補正= 1,000,000,000,000,000,000 GeV mH = 200 GeV V V H H H クォークやゲージ粒子には問題ない。 41 H さらに未知の世界へ挑戦 超対称性： 超対称性粒子 フェルミ粒子（スピン1/2）とボーズ粒子（スピン0,1）を入れ変え ても自然は変わらない。 ヒッグス粒子の質量の大きすぎる量子補正をキャンセルできる。 未発見！ またバブル再来か？！ 42 最近分かってきた宇宙の組成 銀河の回転速度 暗黒エネル ギー 74 % 銀河団の運動 超新星の観測 宇宙背景放射(WMAP) 暗黒物質 22 % 光を出す通常物質 4 % 43 特徴 ・ 光を出さない->中性。 ・ （ほとんど）他と交わらな い。 ・ 重さを持つ。 ・寿命は宇宙年齢以上。 衝突した２つの銀河団 赤色：見える物質 青色：暗黒物質 暗黒物質（ダークマター） 暗黒物質の３次元分布図 （重力レンズ効果を観測） 44 ビッグバン中に暗黒物質の生成・消滅反応が凍結する。その時 の宇宙膨張率と反応率から暗黒物質の残存量が計算できる。 観測される暗黒物質の量は、暗黒物質の粒子質量が１ TeV 程 度であることを示唆している。→ ＬＨＣで生成できる！ 暗黒物質 の候補 ニュートラリーノ 未発見！ 45 大統一理論 1 TeV付近に超対称性粒子群があれば、 ３つの力が1025 eV付近で一点に交わる！ 観測値 LHCで到達できる部分 46 BigBang 現在 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 理解できた領域 天体重力 47 余剰次元（Large Extra Dimension） 電弱スケール 1016 階層性問題の 新解決策 プランクスケール 他の３つの力 ４＋２次元の重力 ニュートン重力 エネルギー ・重力のみ余剰次元に はみ出す。 ・余剰次元が 0.1mmだ と、TeV領域で他の３つ の力と同じ強さになる。 ・マイクロブラックホール がLHCで生成される？ LHCで10-12秒後までさかのぼる！ ま と め • 人類はメンデレーエフの周期表から100年余を経て、より根源 的な周期表にたどり着いた。しかし１つだけ穴がある。 • 標準理論は量子色力学と電弱理論からなり、 ３つの相互作用 を正確に記述する。粒子の質量はヒッグス場によって作られ、 ヒッグス粒子が存在するはずである。 • LHCでは14TeVの陽子・陽子衝突を実現しヒッグス粒子を発見 する。LHC加速器と実験装置を１５年かけて完成した。 • ３日前（2008年9月10日）にLHCビーム数周に成功した。 • 標準ヒッグス粒子を1～3年で発見する。超対称性粒子や余剰 次元など新しい物理を探索し力の統一を目指す。暗黒物質が 何か解明する可能性が高い。 • LHCは宇宙開闢から１兆分の１秒の頃の物理法則を研究す る。 50