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素粒子原子核物理学実験の 最前線 LHC 計画

世界の素粒子実験. 素粒子原子核物理学実験の 最前線 LHC 計画. 2009 年 3 月 5 日 近藤敬比古 ( 高エネルギー加速器研究機構 ) 宇宙科学インターナショナルワークショップ 広島大学. Original file at : http://atlas.kek.jp/sub/OHP/2009/20090305Kondo_Hiroshima.pdf http://atlas.kek.jp/sub/OHP/2009/20090305Kondo_Hiroshima.pptx. 2008 ノーベル物理学賞受賞おめでとうございます！. 自発的対称性の破れ.

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素粒子原子核物理学実験の 最前線 LHC 計画

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  1. 世界の素粒子実験 素粒子原子核物理学実験の最前線 LHC 計画 2009年3月5日 近藤敬比古 (高エネルギー加速器研究機構) 宇宙科学インターナショナルワークショップ 広島大学 Original file at : http://atlas.kek.jp/sub/OHP/2009/20090305Kondo_Hiroshima.pdf http://atlas.kek.jp/sub/OHP/2009/20090305Kondo_Hiroshima.pptx

  2. 2008ノーベル物理学賞受賞おめでとうございます！2008ノーベル物理学賞受賞おめでとうございます！ 自発的対称性の破れ

  3. Spontaneous Symmetry Breaking(自発的対称性の破れ) • 例：強磁性体 • 運動方程式は回転に対して対称であり、特別な方向を選ばない。 • キューリー温度TC以上で分子のスピンはバラバラで常磁性体である。 • TC以下では自発的に特定の方向が選ばれ強磁性を示す。 • 素粒子の世界 • 運動方程式はゲージ変換（内部自由度の位相回転）に対して不変である。 • １TeV以上では真空は対称である。 • １TeV以下では真空(エネルギー最低状態）は自発的にゼロでないヒッグス場を持つ。

  4. 素粒子物理学 物質の根源を研究する。 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。 素粒子関係のノーベル賞は大変多い。 大きさ 研究に必要な加速エネルギー ビッグバン宇宙の解明につながる！

  5. 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。

  6. CERN　（欧州合同原子核研究機構）　 CERN 設立： 1954 加盟国：欧州20カ国 スタッフ：約2,500人 ユーザー数：約9,000人 年間予算： 1,000億円 WWWは1990年にCERNで発明された。 CERN Geneva

  7. LHC (Large HadronCollider ) 周長　26.6 km 主な実験装置 ATLAS CMS ALICE LHCb 計画承認 1994 建設完成 2008 建設コスト～１兆円 （人件費なども含む）

  8. LHCでビッグバンから10-12 秒までにさかのぼる。

  9. from E. Kolb and M. Turner p.73 History of Universe QUANTUM END OF END OF MATTER● Formation GRAVITY GRAND ELECTROWEAK DOMINATION of Atoms ● Supergravity?UNIFICATION UNIFICATION● Formation of ● Decoupling of - ● Ex Dim?● Origin of Matter- ● End of SUSY? Quark Hadron Structure begins Matter and ● Supersymmetry? Antimatter Symmetry Transition Big Bang ● Superstrings? ● MonplolesNucleosynthesis ● Inflation B I G B A N G Rest Energy KE of Highest energy CM Energy Nuclear Binding Atomic of Flea Sprinter Cosmic rays of LHC Energy Binding Energy 1 103 106 109 Years 2K n bkgd Leptons & Quarks Gauge Bosons Photons R(matter/radiation)=5x10-10 3K CMB

  10. from E. Kolb and M. Turner p.73 History of Universe QUANTUM END OF END OF MATTER● Formation GRAVITY GRAND ELECTROWEAK DOMINATION of Atoms ● Supergravity?UNIFICATION UNIFICATION● Formation of ● Decoupling of - ● Ex Dim?● Origin of Matter- ● End of SUSY? Quark Hadron Structure begins Matter and ● Supersymmetry? Antimatter Symmetry Transition Big Bang ● Superstrings? ● MonplolesNucleosynthesis ● Inflation B I G B A N G Rest Energy KE of Highest energy CM Energy Nuclear Binding Atomic of Flea Sprinter Cosmic rays of LHC Energy Binding Energy 1 103 106 109 Years 2K n bkgd Leptons & Quarks Gauge Bosons Photons R(matter/radiation)=5x10-10 3K CMB LHC陽子衝突実験のカバーする範囲

  11. from E. Kolb and M. Turner p.73 History of Universe QUANTUM END OF END OFMATTER● Formation GRAVITY GRAND ELECTROWEAKDOMINATION of Atoms ● Supergravity?UNIFICATION UNIFICATION● Formation of ● Decoupling of - ● Ex Dim?● Origin of Matter- ● End of SUSY? Quark Hadron Structure begins Matter and ● Supersymmetry? Antimatter Symmetry Transition Big Bang ● Superstrings? ● MonplolesNucleosynthesis ● Inflation B I G B A N G Rest Energy KE of Highest energy CM Energy Nuclear Binding Atomic of Flea Sprinter Cosmic rays of LHC Energy Binding Energy 1 103 106 109 Years 2K n bkgd Leptons & Quarks Gauge Bosons Photons R(matter/radiation)=5x10-10 3K CMB ALICE実験の研究領域

  12. 1869 メンデレーフの周期律表 基本粒子の数 67 (1869年) 12 (1995年) 1 (2xxx年) 1995　現在の周期律表：標準モデル

  13. ４つの力（相互作用） 全ての力はゲージ粒子の交換によって引き起こされる。 ゲージ粒子 相互作用: 強い力　　　電磁磁気力　　　弱い力　　　　重力 ゲージ粒子: グルーオン　　　　光子　　　　Ｗ,Ｚボゾングラビトン スピン: 1 1 1 2 標準モデル （ゲージ変換不変な量子場理論に基づく）

  14. 根 源 的 な 問 題 Ｑ1：発散の困難をどう回避するか？ 高次の量子効果を足し合わせてせると 計算結果が無限大になる。 Ｑ2：なぜ裸のクォークは見つからないのか？ 私の大学院での最初の実験は宇宙線に中に 1/3e,2/3eの電荷をもった粒子を探す実験 だった（1967年）。裸のクォークは見つけ られなかった。しかし核子は３個のクォーク からなっていることは分かっている。 Ｑ3：なぜ W, Z とクォーク/レプトンは質量をもつのか？ パリティ非保存の発見(1957)→弱い相互作用は左右非対称である。 しかしゲージ不変であるためには、粒子に質量があってはならない。 実験から mW～81 GeV, mZ～91GeV, mt～172 GeV, me＝0.55 MeV。 （注：ゲージ不変性がないと発散の困難を回避できない。） 　　　　　　　　夫々の問題の解決者にはノーベル物理学賞が授与された! 陽子　　　中性子

  15. Ｑ1の解決 : 　量子電磁力学（QED）の成功 1940年代に朝永らによってくりこみ理論（renormalization method)が開発された。裸の質量や電荷を再定義し直すことによって、相互作用の振幅が高エネルギーや高い次数の計算でも取り扱いできるようになり、高精度の計算が可能になった。 　例：電子の異常磁気能率: QEDがくりこみ可能なのは、QED理論が局所ゲージ不変であるからである。 　　理論は局所ゲージ不変であること。 1965 朝永　FeynmannSchwingers "for their fundamental work in quantum electrodynamics, with deep-ploughing consequences for the physics of elementary particles” 局所ゲージ不変 h h h (x3 y3 z3) (x1 y1 z1) x x x (x2 y2 z2) 任意の時点で内部座標を任意の 位相回転しても理論は変わらない。

  16. Ｑ2の解決：　QCD (量子色力学)の成功 • クォークは３種のカラー荷電を持つ。 • グルーオンは強い力を媒介するゲージ粒子で８種のカラー荷電を持つ。 • 素粒子（π,p, n…)はカラーを持たない。 • 漸近自由：力はゴム紐のように近くて弱く遠くなると強くなる。 2004 D. Gross H.D. Politzer F. Wilczek "for the discovery of asymptotic freedom in the theory of the strong interaction" エネルギーを与えて素粒子内の２つのクォークを引き離そうとすると、途中でクォーク・反クォーク対が真空から作られて２つの素粒子に分裂する。エネルギー的にその状態の方が低いからである。

  17. Ｑ3の解決：　Glashow-Weinberg-Salam モデルの成功 • 高エネルギーでは電弱対称性SU(2)Lと弱ハイパー荷電対称性U(1)Yが存在する。 • 低エネルギーではヒッグス場の存在によりそれらの対称性が自発的に破れて、３つのゲージ粒子は３つのヒッグス場を食べて質量を持つ。混合の結果電磁場 U(1)EMが残る。 • 少なくとも一つのヒッグス粒子が存在する。 • クォーク・レプトンも質量を持つことが可能。 1979 S. Glashow S. Weinberg A. Salam "for their contributions to the theory of the unified weak and electromagnetic interaction between elementary particles, including, inter alia, the prediction of the weak neutral current" ４つのゲージ粒子 SU(2)L × U(1)Y 自発的 対称性 の破れ (Higgs機構） U(1)EM m=0 m=0 m=0 m=0 80 80 91 mg=0 GeVGeVGeV mH=?? ４つのヒッグス粒子

  18. Glashow-Weinberg-Salam モデル [1] S. Wenberg, Phys. Rev. Lett. 19 (1967) 1264

  19. R.Brout F. Englert P. Higgs GWS モデルの確証 理論的には • 1971年：ト・フーフトがGWSモデルがくりこみ可能であることを証明した。 GWSモデルの実験による検証 • 1973年：CERNで中性カレントの存在が検証された。 • 1978年：SLACの偏極電子ビーム散乱実験によってγ-Z の干渉効果を確認した。 D ‘t Hooft M. Veltman 1999 "for elucidating the quantum structure of electroweak interactions in physics" ヒッグス機構は少なくとも３人が提案 1964年に何人かの理論屋が、自己結合をもつスカラー場の存在の下で、自発的対称性の破れが起こると、質量=0だったゲージ粒子が質量を持つことを指摘した。 WeinbergとSalamはこの発見を弱い相互作用に適用した。

  20. ヒッグス場による質量（重さ）の獲得 ・W/Z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、それは質量を得たとみなすことができる。光はヒッグス場と結びつかないので質量=0である。 自発的対称性の破れ

  21. 標準モデルの予言能力 電子陽電子消滅によるハドロン生成の断面積 標準モデル 標準モデルは1 eVから1千億eVレベルまでの広いエネルギー範囲を非常に高い精度で記述する。標準モデルに反する事象はまだ発見されていない（暗黒物質を除いて）

  22. 現在の周期律表：標準モデル ヒッグス粒子のみが未発見。 他はすべて２０世紀に発見された。

  23. 標準ヒッグス粒子の性質 • （実に不思議なことに）ヒッグス粒子の質量mHはフリーパラメータで標準モデルは予言しない。たぶん100～1000 GeVの間であろう。 • LEP実験での直接探索 mH > 114.4 GeV • テバトロンでの直接探索 mH≠ 170 GeV • 量子補正による間接測定mH < 144 GeV 黄＝直接測定で除外された領域 青＝標準モデルの測定量から量子補正を通じて推定されたヒッグス粒子の質量の確率（χ2）分布。 LHC/ATLASでのヒッグスイベント: pp→H→ZZ→μ+μ-μ+μ-(黄色の線).

  24. LHC加速器と主実験装置 超伝導マグネットの温度を色で示している。全周1.9K。 C M S トンネル周長 26.6 km 陽子・陽子衝突 7+7 TeV ルミノシティ 1034 cm-2s-1 重イオン衝突（Pb+Pb） 5.5 TeV 主ダイポール電磁石8.33T, 1232 ALICE LHCb ATLAS

  25. 加速器の主要素は超伝導電磁石 2-in-1 型 冷却温度： 1.9K 磁場強さ： 8.33 テスラ 計1232 台の超伝導ダイポール電磁石がビームを曲げる。

  26. Video: Construction of LHC(magnetToRing.wmv)

  27. ミューオントリガー検出器 超伝導ソレノイド シリコン飛跡検出器 ATLAS : アトラス国際協力実験 ・ 14 TeVの陽子・陽子衝突を測定し、ヒッグス粒子や超対称性粒子などの発見と測定を行う。 ・３７か国から約２２００人の研究者が参加。日本はKEK・東大・神戸大など１５研究機関約100名。 ・ 各国は担当検出器を国で製作し、CERNへ持込み据付・組立を行い測定器として一体化した。 ・ 日本はミューオントリガー検出器、シリコン検出器、超伝導ソレノイドを製作した。トリガーおよびデーター解析にも参加している。 日本による建設担当部分

  28. 建設中のアトラス実験装置　2005年11月

  29. 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) 1200台のチェンバーをKEKで製造(2000-2004) 32万チャンネルの電子回路をKEKで設計・製造した。 神戸大で全数を宇宙線で検査 地下実験ホールでの総合組立完成 (2006-2008） CERN地上でのセクター 組立 (2005-2007)

  30. 写真①：地下ではTGCは壁構造を利用して順次結合されてビッグホイールに組み上げられた。写真①：地下ではTGCは壁構造を利用して順次結合されてビッグホイールに組み上げられた。 写真②：ビッグホイール下部での作業中の日本人研究者 写真③：地上アトラスコントロール室で、日本などからの研究者が地下の装置の運転を制御する。 写真④：2007年秋の試運転で、TGCミューオントリガー装置を通過した宇宙線ミューオンが始めて観測された。

  31. アトラスシリコン半導体飛跡検出器 2600台のうち980台を日本で製造。 広島大（大杉）はセンサー開発に寄与。 KEKでは１ミクロン精度の組立て台を開発 組立中のアトラスシリコン飛跡検出器

  32. アトラス実験装置の建設ムービーショット

  33. ALICE：アリス国際協力実験 • L3マグネットの中に設置した大型TPCで1000を越える飛跡を観測する • 31カ国から約1000名の参加。日本からは広島大・東京大・筑波大が参加し主にフォトン検出器を担当。計算機センターを広島大に設置し解析も進める。 建設中のALICE実験装置

  34. LHC アリス実験の目指す物理 • 鉛イオン（208Pb82+）ビームを核子当たり 2.76TeV まで加速し衝突させる。 • sNN 5.5 TeV = 28×RHIC =320×SPS = 1000×AGS • RHIC実験などで発見された原子核特有の現象のジェットの抑制と形状変化、J/ψ生成の抑制や完全流体的集団運動などをより高いエネルギーで観測する。 • 物理はビッグバン誕生後10-6秒付近でのクォーク→ハドロン遷移の領域に相当する。

  35. アリス実験の日本グループ：活動のスナップショットアリス実験の日本グループ：活動のスナップショット CERNで作業中の広島大 などからの日本メンバー 広島大に設置されたTier-2計算機システム

  36. First beam in the LHC 10 Sep. 2008 BBCによる世界同時生中継のもと、450 GeVの陽子ビームがテスト開始後わずか 50 分でLHCリングの一周に成功した。

  37. CMS 開始後５０分後にビームスクリーンには入射ビームと一周したビームが同時に映し出された！ ビームの軌道は各所のビーム位置モニターで測定され、直ちに次のビーム入射で軌道が修正された。 ALICE LHCb ATLAS

  38. 2008年9月19日：LHCヘリウム大量漏れ事故 • ９日後、LHC加速器セクターの通電テスト中に、６トンのヘリウムがトンネル内に漏れ出す事故があった。 ・ (１万ヵ所のうちの)１つのマグネット間の超伝導ケーブル接続部分が溶けだし、気化したヘリウムの圧力で数十台のマグネットが変形したり移動した。 • 53台のマグネットが地上に運び出され修理が進んでいる。 • 事故原因を調査し、安全対策とより感度の高い予知システムを準備している。 • ビームは2009年9月に再開され、5+5 TeVの物理運転を2010年秋まで続ける。 溶解したと同じケーブル接続部の写真 気化したヘリウムの圧力によってマグネットが動いた。

  39. LHCでのヒッグス粒子探索 • 質量mHの関数としてヒッグス粒子の生成断面積や崩壊過程はよく予言できる。 • ヒッグス粒子の発見チャンネルは数種類あり mHの領域にかなり依存する。 • データ収集は2009年10月に始まる。２－３年で114～1,000 GeVの全領域で発見が可能になる。 H→ggチャンネルの模擬解析結果。L=1fb-1で縦軸の数がイベント数に相当する。 2012(?) 2011(?) 積分ルミノシティ （fb-1) 2010 (?) 100 200 500 1,000 mH (GeV) 赤：5sの信頼度での発見ライン 青：95%の信頼度で排除できる範囲。

  40. 階　層　性　問　題 H H • 次の新しい物理がプランクスケール(1019GeV) までないとき、ヒッグス粒子の質量 mHは大きな量子補正を受けて（スカラー粒子なので） mH = 200 GeV dmH = 1,000,000,000,000,000,000 GeV これは非常に不自然である（階層性問題）。 問題解決策　その①:超対称性粒子の導入 ヒッグスの２次発散の項を超対称性（SUSY）粒子で正確にキャンセルすることができる。 問題解決策　その②: 大きな余剰次元の導入 　　　新しい物理が1～10 TeVに存在する。 mH　に対する量子補正の式 H H SUSY粒子によるmHに対する量子補正

  41. SUSY (超対称性）粒子 フェルミオン（半整数スピン）とボゾン（整数スピン）の交換の対称性 SUSY粒子はまだ１個も見つかってない SUSYはソフトに破れているモデル

  42. Running couplings （走る結合変数） + + + + + + + + - - - - - - - - + QEDでは真空偏極で 電荷がより隠される。 q gluonとquark の雲 QCD ではカラー電荷が真空偏極で増幅される　（nq< 33/2） ・　相互作用の強さ（結合変数）は真空偏極によりエネルギースケール（距離）と共に変化する。 ・　QED : 遮蔽効果高エネルギーで強くなる ・　QCD: 反遮蔽効果高エネルギーで弱くなる 　　グルーオンの自己結合のため

  43. ３つの相互作用の大統一の可能性 もし 1 TeV付近に超対称性粒子が存在すれば、３つの相互作用の 強さは2x1016GeVで１点に交わる!! ー＞大統一の可能性が出てきた。 note: based on RGE equations given by U. Amaldi et al., Phys. Lett. B260(1991)447. data for 1/a1 are scaled from 1/aEMby 3/5*cos2qW

  44. 暗黒物質　Dark Matter 銀河の回転速度 重力レンズ効果を用いた暗黒物質観測の３次元マップ 銀河クラスターの運動 標準モデルは我々の宇宙の４％のみの範囲しか記述していない！！ 銀河クラスター同士の衝突で暗黒物質（青）が分離された様子 ３°Ｋ宇宙背景輻射

  45. 膨張する宇宙の熱力学：冷たい暗黒物質シナリオ膨張する宇宙の熱力学：冷たい暗黒物質シナリオ LHCの到達できる範囲 !! 暗黒物質の 有力候補 ニュートラリーノ 未発見

  46. LHCのSUSY粒子探索 • R パリティ保存則： • 　　　　標準モデル粒子 R=+1 • SUSY粒子　　　　　R=-1 • LSP (lightest supersymmetricparticle) は中性で安定、物質と相互作用しない→暗黒物質のよい候補！！ • LHC実験ではLSP が測定器から抜け、大きな横エネルギーEtの消失が起こる。１年のLHC実験で 1 TeV領域まで探索できる。 • まとめ：SUSY粒子が1 TeVにあると　　 • 　　　① 階層性問題が解決する. • 　　　② 大統一の可能性が高まる. • 　　　③ 暗黒物質が同定できる. detector p LHCでのSUSY 粒子生成過程 p (LSP) CMS実験でのSUSY粒子生成シミュレーション

  47. 大きな余剰次元モデル 階層性問題解決への新しいアプローチ 1016 電弱スケール Planckスケール 4+2余剰次元の重力 標準モデルの３つの力 　　　力の強さ　　　 ニュートンの重力 F ～ 1/r2 重力は大きな次元のバルクにも広がるが、標準モデルの粒子は４次元ブレーンに閉じ込められている。 エネルギースケール

  48. ま　と　め • W, Z粒子、クォーク・レプトンの質量があるためには、ヒッグス場の自発的対称性の破れが起こらなくてはならない。ヒッグス粒子が存在する。 • LHC加速器と４つの実験装置 ALICE ATLAS CMS LHCbは建設が完成した。昨年９月に450 GeVの陽子ビームの周回に成功した。 • ヒッグス粒子や超対称性粒子は２～３年ほどの運転で発見が可能になる。鉛イオンの衝突でクォークグルーオン状態を探索できる。 • もし超対称性粒子が見つかれば、階層性問題は解決し、大統一が可能になり、暗黒物質の有力候補が見つかる。 • LHCでのｐｐ衝突の実験は、ビッグバンから10-11～10-38 秒での物理に相当する。重イオン衝突の実験は10-11～10-5秒でのクォーク核子遷移の物理を解明できる。

  49. LHCでビッグバンから10-12 秒までにさかのぼる。

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