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ヒッグス粒子探索の最前線
物理学セミナー
2010年10月13日
佐藤構二
目次
• イントロダクション
– ヒッグス粒子とは？ ← 標準理論のヒッグス粒子
– 高エネルギー加速器実験
• ＣＤＦ実験
– 実験装置、どうやって粒子を検出しているか
– 最新のヒッグス粒子探索
• ＬＨＣ実験
– 新しく運転を開始した最高エネルギー加速器
– ヒッグス粒子探索のポテンシャル
イントロダクション
素粒子物理学とは
物質を細分化していくと何に行き着くか？
それ以上分けられない物質は？
⇒ 物質の究極の構成要素＝素粒子
水の分子10-7cm
原子核10-12cm
クォーク≤10-16cm
?
酸素原子10-8cm
陽子10-13cm
?
物質を構成する素粒子
• 物質は、クォークとレプトンからなる。
• クォーク、レプトンそれぞれ３世代。
物質を構成する素粒子
• 重力はまだ、素粒子に働く力としては観測さ
れていない。
素粒子の質量
物質粒子
ゲージ粒子
第１世代
クォーク
レプトン
第２世代
第３世代
u
3 MeV
c
1.25 GeV
t
173.3 GeV
d
5 MeV
s
100 MeV
b
4.2 GeV
ne
nm
nt
~0
~0
~0
e
0.511 MeV
m
t
106 MeV
1.77 GeV
（強い力）
g
0
（電磁力）
g
0
（弱い力）
W
Z
80.4 GeV
91.2 GeV
• 力を媒介するゲージ粒子のうち、なぜＷとＺ
だけが重いのか？？
質量とは？
ビッグバン直後
粒子は真空から力を受けずに飛
び回る。
現在
真空にはヒッグス場が充満して
いる。
粒子はヒッグス場（粒子）とぶつ
かりながら飛ぶので抵抗を受け
る。 ⇒ 質量を獲得
ヒッグス機構
ヒッグスポテンシャル
• V (f) = m2f2 + lf4 ( l
ビッグバン直後
m2>0
現在
m2<0
ヒッグスポテンシャル
真空
自発的対象性の破れ
（真空の相転移）
真空
ヒッグス場
F1,F2は複素数。
標準理論の世界
ヒッグス質量に対する理論的制限
Λ： 標準理論を超える新しい物理が出現するエネルギースケール
• Λがいくつであっても、ヒッグス粒子の質量は800 GeV以内。
標準理論の成功
• 世界中さまざまな実験
でいろいろな物理量が
測られているが、いま
のところ標準理論と矛
盾する結果はない。
全部3σ以内で一致!！
標準理論の問題点
第１世代
クォーク
レプトン
•
•
•
•
第２世代
第３世代
u
3 MeV
c
1.25 GeV
t
173.3 GeV
d
5 MeV
s
100 MeV
b
4.2 GeV
ne
nm
nt
~0
~0
~0
e
0.511 MeV
m
t
106 MeV
1.77 GeV
（強い力）
g
0
（電磁力）
g
0
（弱い力）
W
Z
80.4 GeV
91.2 GeV
ヒッグス
Ｈ
？
なぜ3世代あるのか説明していない。
重力が入っていない。
クォークとレプトンの質量は、標準理論では予言できないフリーパラメータである。
– Mtop/Me ～O(105)
……
⇒ ヒッグス粒子を発見し、精密に測定することで新展開・ヒントを探す。
高エネルギー加速器実験
• なぜ素粒子を高エネルギーに
加速して衝突させたいか？
– もし素粒子に内部構造があれば、
十分にエネルギーを与えれば素
粒子を壊すことができる。
（実際に陽子を衝突させるとき、これ
ほど単純なことがおこっているわけ
ではない．．．。）
– 素粒子間の反応で生成された粒
子、およびその粒子が崩壊を調
べる。
重心系エネルギーとルミノシティ
• 相対論の不変質量は
M 2 ECM 2 pCM 2 ECM 2 (E1 E2 )2
( pCM 2 0)
– Ｍ新粒子＜ＥＣＭ以内の粒子なら生成される可能性あり。
– 衝突の重心系エネルギーが新粒子（ヒッグス）質量よ
り大きくないと、 新粒子は発見できない。
– 重い新粒子探索は世界最高エネルギーの加速器で
行うのが効率的。
新粒子
• ルミノシティ L
– 反応断面積σの単位は b (=10-24cm2,バーン）
• pb (=10-12)を使うことが多い。
– 反応断面積に掛けると事象数になる量、
• したがって単位はpb-1
• ルミノシティLはデータ量を表す。
1
n L
2
ハドロン衝突型加速器
• レプトン衝突型と違って、ハドロン衝突型加速器では、素過程
（興味ある素粒子反応）に全エネルギーを使えない。
– Ｓｐｅｃｔａｔｏｒ Ｐａｒｔｏｎがエネルギーを持ち去ってしまうため。
• 重心系エネルギーの10分の１くらいを使える（目安）。
– 重心系エネルギー2 TeVのTevatron
⇒200 GeVくらいまでのヒッグス粒子を探せる。
Parton
distribution
p
p
Spectator partons
ヒッグス
粒子生成!
最近から近未来の最高エネルギー加速器
SLC
e+ e91 GeV
SLAC
USA
Tevatron
ppbar
1.8-1.96 TeV
Fermilab
USA
ILC
e +e 0.5-1 TeV
?
?
トップクォーク発見
1985
1990
1995
2000
2005
2010
2015
2020
W/Zボソン発見
SppS
ppbar
630 GeV
CERN
Switzerland
LEP
e +e 91-209 GeV
CERN
Switzerland
LHC
pp
7-14 TeV
CERN
Switzerland
加速器のエネルギーと宇宙年齢
加速器エネルギーを
日常生活と照らしあわせてみる
• 現在の加速器：～1 TeVのエネルギースケールで実験。
– Tevatronのビームエネルギー = 1 TeV
– 飛んでいる蚊のおよその運動エネルギー = 1.60 nJ = 1 TeV ※
⇒ 素粒子１個に蚊の運動エネルギーを集約している。すごい
こと！
– 宇宙年齢1013秒ころに起きていた物理現象を実験している。
• 大統一理論のエネルギースケール（ＧＵＴスケール） = 1016 GeV
– 激しい労働をしない男性の1日の摂取カロリーの推奨値
= 2000 kCal ※ = 2.6×1016 GeV
• プランク・スケール = 1019 GeV
※ wikipediaより
ＣＤＦ実験
Ｔｅｖａｔｒｏｎ加速器
2km
• シカゴ郊外のフェルミ国立研究所。
• 2008年まで世界最高エネルギー、
現在は世界2位。
• 陽子・反陽子衝突。
• Run I (1992-1996)
– Ep,pbar=900 GeV
– √s = 1.8 TeV
– 積分ビーム輝度 ~110 pb-1
• Run II (2001-現在)
– Ep,pbar=980 GeV
– √ s = 1.96 TeV
• Two multi-purpose detectors
– CDF, DØ
Ｔｅｖａｔｒｏｎチェーン
反陽子
陽子
MAIN INJECTOR
DØ
p,pbar:150GeV
TEVATRON
ANTIPROTON
SOURCE
p:8GeV
p,pbar:980GeV
BOOSTER
p:8GeV
CDF
LINAC
H-:400MeV
PROTON
NEUTRINO
MESON
COCK CROFTWALTON
H-:750keV
週間ルミノシティ
• １日ごとに新しいビームに入れ替える。
• １週あたり ～50 pb-1データがたまる。
– トップクォーク（7 pb） ⇒ 週に350個
– ヒッグス（～1 pb） ⇒ 週に～50個
（バックグラウンド事象を減らすため
に事象選別するため、このイベント
数がそのまま解析で使えるわけで
はない。）
いままでに取得したデータ量
2001年
ＲｕｎＩＩ開始
現在
• Delivered ～9.5 fb-1.
• Acquired ～8.0 fb-1.
1 fb = 0.001 pb
1 fb-1 = 1000 pb-1
大きさ 10×10×10ｍ
重量 3000トン
• Tevatron加速器の陽
子・衝反陽子突点に
ＣＤＦ検出器を置い
て素粒子反応の
データを取っている。
CDF実験
ＣＤＦコラボレーション
• 世界中14カ国から、600
人の研究者が参加。
素粒子反応の再構成
• 終状態をみて、何が起こったかを調べる
– ヒッグスやＷ／Ｚなどは、できたらすぐに崩壊してしまう。
– 終状態の粒子： 安定，もしくは長寿命な粒子
• e±, ν, γ, p, n, μ±, π±,K±, KL
例） 終状態にミューオンが二つある場合
Z→ μ μ
μ１
？
p
p
μ２
エネルギー・運動量保存則を使って親粒子の質量を計算 M m1m2 2 ( E1 E2 )2 ( p1 p2 )2
粒子の同定，電荷・運動量の測定
ミューオン検出器
最小電離作用のみ
ハドロンカロリメータ
横方向消失エネルギー
電磁カロリメータ
電磁シャワー
ソレノイド電磁石
Time of Flight
ハドロンシャワー
ドリフトチェンバー
シリコン飛跡検出器
衝突点
ジェット
シリコン飛跡検出器
シリコンマイクロストリップセンサ
荷電粒子の通過した
位置を数十ミクロン間隔
で埋め込まれた電極により測定
シリコンマイクロストリップセンサを層状に配置す
ることで、粒子の飛跡を高精度に再構成できる。
中央飛跡検出器（ドリフトチェンバー)
荷電粒子が通ると充満されているガ
スが電離してワイヤーに信号を残す
カロリメータ
プラスチックシンチレータ
光電子増倍管
• 電磁カロリメータ
– 鉛/シンチレータ
• ハドロンカロリメータ
– 鉄/シンチレータ
荷電粒子の通過に伴いシンチレータが出す微弱な光
を光電子増倍管で電気信号として読み出す。
電磁シャワー
ジェット
e
p
CDF検出器
ミュー粒子検出器
y
x
z
シンチレータ
ドリフトチェンバー
大きさ 10×10×10ｍ
重量 3000トン
Tevatronでの
ヒッグス粒子探索
トップクォーク質量の精密測定
b
g
q
15% 85%
g
q
100%
t W+
t
100%
l+
n
ＣＤＦとＤ０両実験でさまざまな解
析を行い、解析結果を足し合わ
せて世界平均を測定している：
q
Wq’
b
トップクォーク質量測定
レプトン＋ジェットチャンネルの例：
Mtop = 172.0 +/-1.5 GeV/c2
Template based measurement in Lepton+Jets channel (4.8 fb-1)
Mtop = 173.3 ± 1.1 GeV/c2
Ｗボソン質量の精密測定
• 不変質量でなくMT（不変質量からＰｚの項を落とした量）を再構成し、Ｗの
質量を測定する。
Tevatronの結果とCERNのLEP実
験の結果を足し合わせて世界平
均を測定している：
200 pb-1
MW = 80413 ± 48 MeV/c2
MW = 80399 ± 23 MeV/c2
トップ・Ｗボソン質量の精密測定によ
るヒッグス質量への制限
輻射補正の計算により、ヒッグス質量と
トップ・Ｗボソンの質量には関係がある。
フィットから：
mH < 158 GeV @ 95% CL
Mtop = 173.3 ± 1.1 GeV/c2
MW = 80.399 ± 0,023 GeV/c
(mH = 89.0 +35/-26 GeV)
38
トップ・Ｗボソン質量の精密測定によ
るヒッグス質量への制限
輻射補正の計算により、ヒッグス質量と
トップ・Ｗボソンの質量には関係がある。
2003年の時点では:
Mtop = 178.0 4.3 GeV/c2
MW = 80410 32 MeV/c2
Mhiggs < 260 GeV/c2 (95% C.L.)
Tevatron Run IIの結果が得られたことによる進展
フィットから：
mH < 158 GeV @ 95% CL
Mtop = 173.3 ± 1.1 GeV/c2
MW = 80.399 ± 0,023 GeV/c2
(mH = 89.0 +35/-26 GeV)
39
新聞記事
2000年9月
2000年にCERN研究所（ジュネーブ）ＬＥＰ実験
で質量115GeV/c2のヒッグス粒子の候補事象
が見えた（95％信頼度）。同時に114GeV/c2
以下のヒッグス粒子は存在しないことを示した。
フェルミ研究所テバトロン加速器を用いた陽
子・反陽子衝突実験で現在ヒッグス粒子探索
中。
LEP実験の直接探索結果:
MH<114.4 GeV
の質量領域を棄却（95% C.L）
Ｔｅｖａｔｒｏｎでのヒッグス粒子の性質
MH<135 GeVでは、
W/Z
が探しやすい探索モードである。
bb
MH>135 GeVでは、
WW
ＷＨ→lνbb解析
バックグラウンドを減らすため、さまざまなｂ-タガーを使用。
ニューラルネットによるイベント選別。
M(b,b)
ニューラルネットによる
イベント選別:
ヒッグス信号が見つからない
⇒ 生成断面積にリミットを付ける:
Ｈ→WW→lνlν解析
散乱振幅の理論計算、ニューラルネットによるイベント選別。
ニューラルネットによる
イベント選別:
スピンの違いは崩壊粒子の角度分布に現れる
Spin 0 H ➞ WW
Spin 1 γ/Z ➞ WW
レプトン間の角度
ヒッグス信号が見つからない
⇒ 生成断面積にリミットを付ける:
CDFの現在の探索結果
有利な探索チャンネルだけでなく、様々な探索モードで徹底
的にヒッグス粒子を探している。
44
Tevatronの現在の探索結果
ＣＤＦとＤ０のすべての探索モードの結果を足し合わせた：
1.45×SM @ MH=115 GeV/c2
45
ヒッグス粒子の質量は、158<MH<175 GeV/c2の範囲ではない（95％C.L.）
Tevatronの今後
発見に必要なルミノシティの予想値：
2014年末
100<MH<180 GeV
の質量領域で
”>3σ Evidence”
2011年末
MH<200 GeVの全
質量領域で2.4σ
Tevatronは2014年までの実験延長を模索している（ＬＨＣとの兼ね合い）。
LHCでの
ヒッグス粒子探索
LHC加速器
•
•
•
•
•
Ｌａｒｇｅ Ｈａｄｒｏｎ Ｃｏｌｌｉｄｅｒ
陽子・陽子衝突
重心系エネルギー１４ＴｅＶ
直径約８ｋｍ
4つの実験
– ＡＴＬＡＳ・ＣＭＳ pp衝突での
ヒッグスや超対象性粒子の探索
– ＬＨＣｂ Ｂ物理
– ＡＬＩＣＥ 重イオン物理
ＡＴＬＡＳ検出器
• ＬＨＣの陽子・陽子衝突点のまわりに置かれ
る検出器。
ＡＴＬＡＳコラボレーション
38カ国、174研究機関から3000人が参加
50
ATLAS TDR1998
14 TeVでのヒッグス発見能力
• 30 ｆｂ-1 （当初の予定で3年）の
データで１ＴｅＶ以内の全質量領
域でヒッグス粒子を発見可能。
(発見＝”５σ discovery”)
• 100 ｆｂ-1のデータで、１ＴｅＶ以内の
全質量領域で、単一の解析だけ
でヒッグス粒子を発見可能。
ＬＨＣの現状
• 2008年9月10日 初ビーム
• 2008年9月19日 ヘリウム流出事故
（復旧）
• 2009年11月20日 復旧後、初のビーム
• 2009年12月8日 ビームエネルギー1.18 TeVでの運
転。世界最高の重心系エネルギー2.36 TeVでの衝突。
• 2010年3月30日 重心系エネルギー7 TeVでの衝突
を開始。
（以来7 TeVで運転・データ取得）
• 2010年10月10日 データ量～16 pb。
• 2011年末まで 7 TeVで運転、1fb-1のデータを取得す
る予定。
• 2012年 シャットダウン。
• 2013年～ 14 TeVでの運転。
7 TeVでのＡＴＬＡＳの棄却能力
• 3探索モードのみの
合成：
– H→WW→lνlν
– H→ZZ→4l
– H→γγ
• 1ｆｂ-1（2011年末に相当）のデータ量で、 135-188 GeVのヒッグス質量
を棄却することができる。
2011年の状況
×1.3
リミットが√Lumでスケールするならば、2011年
のTevatronは、√(10fb-1/5.9fb-1)～1.3だけリミッ
トを下げる。
⇒ 上の赤線を跨ぐところが2011年の質量棄
却領域になる。
⇒ 142－184 GeVの領域を棄却できる。
ＡＴＬＡＳは、2011年に135-188 GeVのヒッ
グス質量を棄却できる。
それまでに検出器の校正・理解は十分で
きるか？
解析手法はスムーズに確立できるか？
ＣＭＳとの足し合わせはすぐにできるか？
まとめ
• ヒッグス粒子は標準理論の中で唯一未発見の素粒子であり、
その探索は現在の素粒子物理学実験の最重要課題である。
• Tevatron実験は非常に順調に運転している。
– 158<MH<175 GeV/c2の質量領域を棄却した。
– 2011年までデータを取得すれば、100<MH<180 GeVの質
量領域で3σ（99.7％の信頼度）での発見する能力がある。
• 2010年3月からＬＨＣ実験がデータを取り始めた。
– 当初の予定と違って重心系エネルギー7 TeVで運転。
– 2011年までに7 TeVで、1fb-1のデータを溜める予定→135188 GeVの質量領域を棄却する能力。
• TevatronとＬＨＣは、ヒッグス粒子探索において、熾烈な競争
をしている。
最後に
• まず、ヒッグス粒子を探索する。
• 1 TeV以内に見つからなかったら
⇒標準理論でない物理があるはず。
• ヒッグス粒子を発見したら、生成断面積、崩壊幅、崩壊分岐
比、他の素粒子とのカップリングなどを精密に測定すること
が最重要である。
– 標準理論どおりか？
– 超対象性（最低5個のヒッグス粒子が必要）では、モデル
のパラメータによっては、 hが標準理論のヒッグス粒子に
そっくりな場合がある。
– 標準理論が答えていない疑問に対するヒントがないか？
• ヒッグス粒子を研究することは、素粒子物理学の新しい展開
を拓くことにつながるかもしれない。
バックアップ
ジェット
クォーク間のポテンシャル
• クォークは単独に取り出せない
• ある程度離れると真空からq-qbar
対を作ったほうがエネルギー的に
得
– ある程度離れるとバラバラに千切れる
クォークはジェットとして観測される
Top
Mass
l+jets Template Method
• New technique in Run II:
Constrain the jet energy scale (JES)
uncertainty by Wjj invariant mass in
ttl+jets candidate events.
– The obtained scale is applied to
both b- and light-jets.
– Fit is done in mtop vs JES plane.
g
q
15%
85%
g
q
佐藤・戸村・丸山・金 (筑波大）
b
100%
t W+
t
100%
Old analysis, but good for methodology reference.
Likelihood countour:
World best single measurement:
Use dijet
invariant
l+ mass for
in-situ JES
n
calibration.
q
Wq’
b
Reconstracted top mass (kinematic fit):
Mtop (template) = 173.4 ± 2.5 (stat. + JES) ± 1.3 (syst.) GeV (680 pb-1)
トップ・Ｗボソン質量の精密測定によるヒッグス
質量への制限
• 輻射補正の計算により、ヒッグス質量とトップ・Ｗボソンの質量に
は関係がある。
p em
mW 2GF sin 2 W (1 r)
2
• 2003年の時点では:
– MW = 80454 59 MeV/c2
(World Average :80410 32 MeV/c2 )
– Mtop = 178.0 4.3 GeV/c2
M
2
higgs < 260 GeV/c (95% C.L.)
１６イベントカテゴリー
ＷＨ→ｌνｂｂ解析
ＯＳ ０Ｊ 全体：
Ｈ→ＷＷ ＯＳ 0ジェット
ＯＳ ０Ｊ high-S/B：
ＯＳ ０Ｊ low-S/B：
ＯＳ ０ｊｅｔだけだと：
ＯＳ ０Ｊ high-S/B：
ＯＳ ０Ｊ low-S/B：
ＣＤＦとＤ０それぞれのＣｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ
Tevatronコンビネーションの解析チャネル
Beyond SM Higgs
超対称性 モデル
MSSM
Φ = (h0, H0, A0), and H+
Tanβ = <Hu>/<Hd>
σ( φ) ~tanβ2
崩壊比
bb ~90% , ττ ~10%
Tevatron でのサーチ
Φ -> ττ
Φ + b -> ττ + b
Φ +b -> bb + b
65
ＬＨＣでのヒッグス粒子生成断面積
×１桁!
Ｔｅｖａｔｒｏｎでの断面積
ＬＨＣ積算ルミノシティ
短期目標
Integrated luminosity of ≥1fb-1 by the end of 2011
• requires a peak luminosity of ≥ 1x1032 cm-2s-1 during 2011
• → must reach 1 x1032 cm-2s-1 during 2010
長期目標
Integrated luminosity of ≥3000fb-1 by the end of the LHC life
• requires a peak luminosity of ≥ 5 x1034 cm-2s-1 during
2021-2030
• → integrated yearly luminosity of around 250-300fb-1
学会 小林富雄さんのトラペン
The 10 year technical Plan
13 ＴｅＶ
７ ＴｅＶ
14 ＴｅＶ
L=5・10 34
L=10 34
71
Jul. 2010
S. Myers
詳しいことは明日のセッション
（12pSM：LHC upgrade および ILC計画）
をお聴きください
学会 小林富雄さんのトラペン