Microsoft PowerPoint - 夏期実習2007.ppt [互換モード]

国際線型加速器

国際線

ILC

における物理と測定器

宮本彰也

KEK

総研大夏期実習

2007年 6月12日

1

内容

„

Introduction – ILC

„

高エネルギー物理学の現状と課題

Š

素粒子の標準模型

Š

ヒッグス機構

Š

ヒッグス機構

Š

SUSYとGUT

„

ILCでの物理

物

Š

ヒッグス粒子

Š

SUSY粒子

Š

余次元事象

Š

トップクォーク

Æ 時間があれば

Š

( ゲージボソン γγコライダーの物理 ) Æ 省略

Š

( ゲージボソン、γγコライダーの物理 ) Æ 省略

„

ILC測定器

波⻑とエネルギー

波⻑とエネルギー

波⻑とエネルギ

波⻑とエネルギ

光の波⻑とエネルギ

光の波⻑とエネルギ

λλ

_//

_{hh //EE}

„ „

光の波⻑とエネルギー：

光の波⻑とエネルギー：λλ =

= cc//νν =

= hc

hc//EE

„ „ 光量⼦：光量⼦：EE = = hhνν „ „ hh：プランク定数：プランク定数 „ „

物質波の波⻑と運動量：

物質波の波⻑と運動量：λλ =

= hh//pp 〜

〜 hc

hc//EE

„

„ EinsteinEinsteinの関係式：の関係式：EE2 2 = (= (pcpc))2 2 + (+ (mcmc22))22

静⽌し る粒⼦ 静⽌し る粒⼦ EE 22 „ „ 静⽌している粒⼦：静⽌している粒⼦：EE = = mcmc22 „ „ 光速に近い粒⼦：光速に近い粒⼦：EE 〜〜 pcpc „ „

⼩さい物を⾒るためには，⾼いエネルギーの粒⼦が必要

⼩さい物を⾒るためには，⾼いエネルギーの粒⼦が必要

エネルギーの単位

エネルギーの単位

„ „

電⼦ボルト（

電⼦ボルト（eV

eV）

）

„ „ 1 V1 Vの電圧で加速される電⼦の運動エネルギーの電圧で加速される電⼦の運動エネルギー „ „ 電⼦の電荷：電⼦の電荷：1.61.6××1010--1919 CC „ „ 1 eV = 1.61 eV = 1.6××1010--1919 JJ „ „ 1 eV ~ 1μm1 eV ~ 1μm

1.5 V

„ „ 化学反応，原⼦・分⼦の反応エネルギー化学反応，原⼦・分⼦の反応エネルギー

e

-„ „ 1 keV1 keV（キロ電⼦ボルト）（キロ電⼦ボルト） ~ 1 nm~ 1 nm（ナノメートル）（ナノメートル） „ „ 原⼦（内殻電⼦）の反応エネルギー，特性原⼦（内殻電⼦）の反応エネルギー，特性XX線線 „ „ 1 MeV1 MeV（メガ電⼦ボルト）（メガ電⼦ボルト） ~ 1 pm~ 1 pm（ピコメートル）（ピコメートル） „ „ 1 MeV1 MeV（メガ電⼦ボルト）（メガ電⼦ボルト） 1 pm 1 pm（ピコメ トル）（ピコメ トル） „ „ 原⼦核の反応エネルギー原⼦核の反応エネルギー „ „ 1 GeV 1 GeV （ギガ電⼦ボルト）（ギガ電⼦ボルト）~ 10 fm~ 10 fm（フェムトメートル）（フェムトメートル） „ „ 原⼦核の⼤きさ原⼦核の⼤きさ „ „ 原⼦核の⼤きさ原⼦核の⼤きさ „ „ 1 TeV1 TeV（テラ電⼦ボルト）（テラ電⼦ボルト） ~ 10~ 10--1818 mm „ „ 素粒⼦反応のエネルギー素粒⼦反応のエネルギー

波の波⻑とエネルギー

波の波⻑とエネルギー

波の波⻑とエネルギ

波の波⻑とエネルギ

„ „

電波

電波

λλ 300 m300 m（（AMAMラジオ）ラジオ） „ „ λλ〜〜300 m300 m（（AMAMラジオ）ラジオ） „ „ λλ〜〜3 m3 m（テレビ）（（テレビ）（EE〜〜0.000001 0.000001 eVeV）） „ „ λλ〜〜30 cm30 cm（携帯電話）：（携帯電話）：レーダーレーダー

⾚外線

⾚外線

„ „

⾚外線

⾚外線

„ „ λλ〜〜 10 10 μmμm（（EE〜〜0.1 0.1 eVeV）） „ „

可視光

可視光

„ „ λλ〜〜 0.5 0.5 μmμm = 500 nm= 500 nm（（EE〜〜1 1 eVeV）：）：光学顕微鏡光学顕微鏡 „ „

XX線

線

λλ 0 1 nm0 1 nm 1 A1 A（（EE 11 1010 keVkeV）：）：電⼦顕微鏡 放射光電⼦顕微鏡 放射光 „

„ λλ〜〜 0.1 nm = 1 A0.1 nm = 1 A（（EE〜〜11--10 10 keVkeV）：）：電⼦顕微鏡，放射光電⼦顕微鏡，放射光

„

„

ガンマ線

ガンマ線

„

„ λλ〜〜 1010--1212 m m 以下（原⼦核以下（原⼦核〜〜1010--1515 mm）） „

⾼エネルギー粒⼦加速器

⾼エネルギー粒⼦加速器

„ „

電場による加速

電場による加速

加速装置 „ „ 乾電池１個で得られるエネルギー：乾電池１個で得られるエネルギー： 1.5 eV1.5 eV „ „ １兆電⼦ボルトを作るためには１兆個の電池？１兆電⼦ボルトを作るためには１兆個の電池？ „ „ ⾼周波を⽤いた加速管：⾼周波を⽤いた加速管：〜〜10 MV/m10 MV/m// 粒⼦群＝ビーム „ „ １兆電⼦ボルトまで加速するには，全⻑１兆電⼦ボルトまで加速するには，全⻑100 km100 km „ „

円形加速器

円形加速器

磁場の⼒で荷電粒⼦を曲げて円軌道上を周回 磁場の⼒で荷電粒⼦を曲げて円軌道上を周回 „ „ 磁場の⼒で荷電粒⼦を曲げて円軌道上を周回磁場の⼒で荷電粒⼦を曲げて円軌道上を周回 „ „ 同じ加速管に何回も粒⼦を通す同じ加速管に何回も粒⼦を通す „ „ 円軌道では放射光を出してエネルギーを失う円軌道では放射光を出してエネルギーを失う 標的 „ „ １周で失うエネルギー：１周で失うエネルギー：ΔΔEE = (= (EE//mm))44//RR „ „ ⇒⇒ このエネルギーを利⽤する：放射光このエネルギーを利⽤する：放射光 „ „ ⇒⇒ 半径を⼤きくする：半径を⼤きくする：LEPLEP（周⻑（周⻑27 km27 km）） „ „ ⇒⇒ 半径を⼤きくする：半径を⼤きくする：LEPLEP（周⻑（周⻑27 km27 km）） „ „ ⇒⇒ 質量の⼤きな粒⼦（陽⼦）を加速する：質量の⼤きな粒⼦（陽⼦）を加速する：LHCLHC „ „ ⇒⇒ 直線加速器：直線加速器：SLCSLC，，ILCILC

粒⼦衝突型加速器（コライダー）の威⼒

粒⼦衝突型加速器（コライダー）の威⼒

（１） ⾮衝突型(J-PARCなど）素粒⼦実験 （標的実験）

衝突エネルギ

_{2 E}

E _m

（２） コライダーでの素粒⼦実験

衝突エネルギー＝

_2mE

衝突エネルギー＝

_2E

E E 衝突エネルギ ＝

_2E

電⼦の発⾒⇒初めての本格的加速器

新型加速器の登場により

多くの素粒子が発見された

⇒素粒子モデルの構築

素粒子 デルの構築

加速器の技術⾰新

加速器の技術⾰新 （

（75

75年の歴史）

年の歴史）

レマン湖 ジュラ山脈

ＣＥＲＮ

LHC 2007年完成 直径 ギ 1932年 世界初のサイクロトロン 直径 13 ネ ギ 80 k V 直径 ９ｋｍ, エネルギー 14 TeV 9km/13cm = 69,231 14TeV/80keV = 175,000,000 直径 13 cm, エネルギー 80 keV 14TeV/80keV 175,000,000_{175,000,000/69,231 ≒ 2,500}

u u

u d u d

LHC (Large Hadron Collider) :

⾼エネルギーの達成が容易（放射光を出さない）→新粒⼦の発⾒能⼒が⾼い ⾼エネルギーの達成が容易（放射光を出さない）→新粒⼦の発⾒能⼒が⾼い

複合粒⼦同⼠の衝突 → ⼤量のバックグランド，素過程の衝突エネルギーが決まらない

LHC と ILC

LHC と ILC

ILC (International Linear Collider) :

素 精 定が が⾼ 素粒⼦同⼠の衝突 → 精密測定が可能 → 新しい法則の発⾒能⼒が⾼い 加速器建設が技術的に⼤変難しい ・円形では繰り返し加速，リニアでは⼀気に加速， 円形では繰り返しバンチが交差 リ アでは 回きり

e

-

_e

+ ・円形では繰り返しバンチが交差，リニアでは⼀回きり

e

e

International Linear Collider

ICHEP(2004年夏 北京）で世界の主要高エネルギ 研究所の首脳が ICHEP(2004年夏、北京）で世界の主要高エネルギー研究所の首脳が

リニアコライダーの概念図

偏極電子源 偏極電子源 超格子フォトカソード＋強力レーザー ダンピングリング 陽電子源 アンジュレータで発生する光を標的に当て， 電子 陽電子を対生成 ダンピングリング ビームのエミッタンスを低減 電子・陽電子を対生成 主リニア ク ビ ム収束 第 期（ ） k 主リニアック 超伝導加速管を片側約8000個並べて粒子を加速 ビーム収束 ビームサイズをナノメートルまで絞り込む 第１期（500 GeV）：~30 km 第２期（1 TeV）：40 km超

IR&BDS Design ( as of Jan. 2007)

IR&BDS Design ( as of Jan. 2007)

１．⻑さ40〜50 km の直線トンネルの

リニアコライダーとは，

トンネル掘削に適した安定した地盤を選ぶことがまず重要 適地の条件 •難⼯事が予想されるところや活断層を避けること。 •電⼒供給が安定していること。 •運搬などアクセスの利便性。 リニアコライダーでは断⾯の⼩さなトンネル2本 （加速器本体⽤＋電⼒供給設備⽤）を並⾏させる。 数年にわたる研究者の調査により、リニアコライダーに適する場所が ⽇本国内に数カ所存在することがわかっている。 写真は青函トンネル ２．両端から電⼦と陽電⼦を繰り返し⼊射して _{衝突点を囲んで反応を捉える粒⼦測定器} 写真はドイツの研究所にあるリニアコライダー加速器の試作機 中央の大型観測装置の予想図 ３．トンネル内に並べた超伝導加速器で加速して ４．電⼦と陽電⼦を中央で正⾯衝突さ 写真はドイツの研究所にあるリニアコライダ 加速器の試作機 中央の大型観測装置の予想図 （科学雑誌「Newton」より）

100億個の陽電⼦ 100億個の電⼦ 超伝導加速空洞（全部で約16,000個を使⽤）の 中⼼軸に沿って粒⼦が加速される 8連結空洞を極低温真空容器に納めて約2000台をトンネル内に並べる 超伝導加速空洞による⾼電界加速（~45 MV/m）：現在稼働中のKEKBの7倍の加速能⼒

リニアコライダ のキ テクノロジ

ナノメートルビームの⽣成・制御

リニアコライダーのキーテクノロジー

・1000 km 先で1 mm しか広がらない超平⾏ビーム ・2 nm（ナノメートル）の精度でビームの位置を制御 5 nm 2006.5.29 KEKで運転中の試験加速器ATF；

ICHIRO 超伝導加速管

1011

Goal： 51 MV/m

1010 Qo 10 Eacc,max = 51.4MV/m 109 0 10 20 30 40 50 60 Eacc []MV/m] @ Qo = 0.777E10 神⼾⼤学 [] ]

リニアコライダーをめぐる世界の動き

リニアコライダーをめぐる世界の動き

„ „ 19971997 ⾼エネルギー委員会・将来計画⼩委員会答申⾼エネルギー委員会・将来計画⼩委員会答申 リニアコライダーを次期基幹計画とするリニアコライダーを次期基幹計画とする „ „ 1997.21997.2 ACFAACFA声明声明 „ „ 2001.92001.9 ACFAACFA声明声明 アジア太平洋地域にリニアコライダーをアジア太平洋地域にリニアコライダーを „ „ 20012001 世界の素粒⼦・加速器研究者がコンセンサス：次期計画はリニアコライダー世界の素粒⼦・加速器研究者がコンセンサス：次期計画はリニアコライダー „ „ 20012001 世界の素粒⼦・加速器研究者がコンセンサス：次期計画はリニアコライダ世界の素粒⼦・加速器研究者がコンセンサス：次期計画はリニアコライダ „ „ 20032003 ACFAACFAシンポジウム（つくば）シンポジウム（つくば） „ „ 2004.12004.1 OECDOECD閣僚級会議声明閣僚級会議声明 リニアコライダーの意義，財政当局関与の必要性を認識リニアコライダーの意義，財政当局関与の必要性を認識 „ „ 2004.82004.8 主加速器の技術を世界統⼀主加速器の技術を世界統⼀ 超伝導技術により世界が⼀丸となって開発・設計超伝導技術により世界が⼀丸となって開発・設計 „ „ 2004.82004.8 主加速器の技術を世界統主加速器の技術を世界統 超伝導技術により世界が 丸となって開発 設計超伝導技術により世界が 丸となって開発 設計 „ „ 2004.102004.10 ⾼エネルギー委員会声明⾼エネルギー委員会声明 „ „ ILCILC研究開発に積極的に取り組むことは⽇本⾼エネルギー物理研究者の総意研究開発に積極的に取り組むことは⽇本⾼エネルギー物理研究者の総意 „

„ 2004.112004.11 技術統⼀後最初の技術統⼀後最初のILCILCワークショップ開催（ワークショップ開催（KEKKEK））

組 組 „ „ 2005.22005.2 国際設計チーム組織開始国際設計チーム組織開始 „ „ 20062006 概念設計書作成概念設計書作成 „ „ 20082008--20102010 ⼯学設計書作成⼯学設計書作成 „ „ 20102010年代中の実験開始を⽬指す年代中の実験開始を⽬指す 神⼾⼤学

素粒子実験の手法

„

素粒子実験の手法 ： 素粒子の衝突させ、

Æ

衝突のエネルギーにより発生する新粒子を探索する

重心系エネルギー：

_s

重心系エネルギ ：

- 1 GeV = 1x10

9

_{eV ~ 1.16x10}

13

_K

- 太陽の中心温度~1.5x10

7

_{K, 陽子の質量:0.983GeV}

ILC の探る ネルギ 領域 200 1000 G V

s

- ILC の探るエネルギー領域：200~1000 GeV

Æ

素粒子間に働く力を調べる

断面積

(s)、微分断面積(dσ/dcosθ) :

- 1 barn = 10

-24

_cm

2

断面積とエネルギーの関係：

σ

∝

1

h

c

=

197 326

MeV fm

⋅

- 断面積とエネルギーの関係：

Æ イベント数

(N )、断面積(

σ

)、

ルミノシティー

(L )、測定効率(

η

)

s

σ

∝

_h

_c

=

_197.326

_{MeV fm}

( )

積

( )

( )

(

η

)

N

= ⋅ ⋅

σ

L

η

e

+

e

-

linear collider の特徴

„

固定標的実験に比べて、

Collider 実験は

衝突ルミノしティ は低いが 衝突エネルギ が大きくしやすい Š 衝突ルミノしティーは低いが、衝突エネルギーが大きくしやすい

~ 2

(

) , 2 (

s

m E

E

衝突エネルギー　

:

固定標的実験

コライダー)

„

陽子･陽子衝突

(Tevatron, LHC)に比べて、e

+

e

-

衝突実験は「素粒子」衝

突なので、

Š ビームエネルギーが有効利用され、バックグランドが少ない(クリーン) Š 初期状態が明確で、理論予測が精密 Æ 微小な違いも見逃さない、精密実験が可能微小な違 も見逃さな 、精密実験 可能 Š が、高エネルギーを達成するのが難しい

„

円形コライダーに比べ、リニアーコライダーは

Š 制動輻射によるエネルギー損失がないので、効率的に高エネルギーが達成で きる きる Š 高加速度勾配(>30MeV/m)、極微小ビームサイズ(~5nm)の達成が必要

e

+

e

-

_{反応の全断面積}

1

s

σ

∝

17

100

pb

⇔

10

−

cm

の円盤に相当

100

pb

⇔

10

cm

の円盤に相当

http://pdg.lbl.gov/

R ratio

„

R ratio とは。 単位荷電粒子の断面積で規格化した、クォークの生成断面積

(

)

(

)

e e

qq

R

e e

σ

σ

μ μ

+ − + − + −

→

≡

→

低エネルギーでは荷電結合のみ e+ _f 2 C q

R

=

N

×

∑

Q

2 2 2

2

1

1

⎛

_{⎛ ⎞}

_{⎛ ⎞}

_{⎛ ⎞}

⎞

e e- γ 高エネルギ では f f 2

2

1

1

3

2

( , , 3

)

3

3

3

2

4

u d z

⎛

_{⎛ ⎞}

_{⎛ ⎞}

_{⎛ ⎞}

⎞

=

×

_⎜

_⎜

_{⎜ ⎟}

+

_{⎜ ⎟}

+

_{⎜ ⎟}

_⎟

_⎟

⇒

⎝ ⎠

⎝ ⎠

⎝ ⎠

⎝

⎠

⎛ ⎞

世代

高エネルギーでは 中性Current(Z)が効く 2

2

4

3

(

3

3

1

1

charm

⎛ ⎞

+ ×

_{⎜ ⎟}

⇒ +

+

⎝ ⎠

⎛ ⎞

クォーク)

1

1

3

(

3

3

bottom

⎛ ⎞

+ ×

_{⎜ ⎟}

⇒ +

+

⎝ ⎠

クォーク）

実際には高次効果で

R

N

_C

Q

_q2

(1

α

s

)

π

=

×

∑

+

+

_L

R

1

R

3

R

4

Quark hadronization

Q

Q k は単体では存在できない 測定器で測定されるものは Quark は単体では存在できない。測定器で測定されるものは 常に、q-qbar または、qqq で中性カラー状態のハドロンとなったもの。 Quark ができると、ジェット、として測定される。 d k Æ P N u,d quark Æ π,P,N s,c,b Æ B, D, k, … (長寿命粒子) を経てÆ π, p, N などに崩壊する。 長寿命粒子の飛程（L)は、L=cτ0βγ sを含む粒子の飛程には数m以上のものもある sを含む粒子の飛程には数m以上のものもある ILCではc,bを含むもの多くは 0.1 ~ 1 mm

TOPAZ 3-jet event

_{TOPAZ 3-jet event}

_{TOPAZ 3 jet event}

j

e e

+ −

→ qqg

qqg

ν

の数

– 世代数

Top quark

p q

CDF R

II l

j

CDF RunII: lepton + jets event

CDF RunII

33 events

素粒子と質量

スピン

½

スピン

1

103 V/c 2 )

t

_ZW

スピン

½

フェルミオン

スピン

1

ゲージ･ボソン

1 質 量 (Ge V

c

s

b

μ

τ

10-3 質

u

d

e

0

ν

_e

ν

_μ

ν

_τ

γ

g

1 2 3 世 世代

素粒子とスピン

カイラリティー

Left handed Right handed

e

− 消滅可 + 電子･陽電子消滅反応 とカイラリティー SLAC-PUB-8618 L

e

R

e

+ 消滅可 消滅不可 R

e

− 消滅可

_e

_L+ 弱い相互作用は、パリティー非保存 Æ f と f に働く力は異なる!

フェルミオンと量子数

1

電荷

弱アイソ

ハイパー

カラー荷

世代

ピ

ジ( )

1 3 3 2 2 1 3 2

(

)

( )

(

)

1

3

C

Q

I

Y

I

Q

u

c

b

= +

⎛ ⎞

⎛ ⎞

⎛ ⎞

⎛ ⎞

⎛ ⎞

⎜ ⎟

⎜ ⎟

⎜ ⎟

⎜ ⎟

⎜ ⎟

_{⎜ ⎟}

_{⎜ ⎟}

世代

スピン

チャージ(Y)

1 1 2 3

3

3

4

2

0

3

L L L R R R

d

s

t

u

c

b

−

⎜ ⎟

−

⎜ ⎟

⎜ ⎟

⎜ ⎟

⎜ ⎟

_{⎜ ⎟}

_{⎜ ⎟}

⎝ ⎠

⎝ ⎠

⎝ ⎠

_{⎝ ⎠}

_{⎝ ⎠}

3

3

2

1

0

3

3

3

R R R R R R

d

s

t

−

−

1 2 1 2

3

3

0

1

0

1

e L L L

e

μ τ

ν

ν

ν

μ

τ

−

⎛ ⎞

⎛ ⎞

⎛

⎞

⎛ ⎞

⎛ ⎞

−

⎜ ⎟

⎜ ⎟

⎜

⎟

⎜ ⎟

_{⎜ ⎟}

⎜ ⎟

₋

⎝ ⎠

⎝

⎠

⎝ ⎠

_{⎝ ⎠}

₂

⎝ ⎠

0

2

1

0

L L L R R R

e

μ

μ

τ

⎝ ⎠

⎝

⎠

⎝ ⎠

_{⎝ ⎠}

⎝ ⎠

−

−

クォークもレプトンも、フェルミオン＝スピンは１/２

自然界の４つの力

ゲージ粒子（スピン１）の交換⇔力の作用 ゲージ粒子（スピン１）の交換⇔力の作用 電磁力と弱い力 フェルミオン 時間 強い力 電磁力と弱い力 (電弱力） 重力 ゲージ 粒子 結合 定数 粒子 空間

ゲージ粒子の自己結合

グルオン

ボ

W,Zボソ ン

光子

光子は自己結合

光子

光子は自己結合

し ない

不確定性原理と真空偏極

„

不確定性原理によれば、非常に短い時間の間では、

ネ

ギ の不定性が大きくなる

エネルギーの不定性が大きくなる。

„

時間が十分短いと、力の粒子は

他の粒子に化けることができる

_e

-

_e

+

h

時間

t

E

Δ ≅

Δ

h

離

c

x

c

t

E

Δ ≅ ⋅ Δ ≅

Δ

h

距離

Δ

E

Running Coupling – 電磁力の場合

g

p g

„

力の伝達：

電子から一時的に放出された

γ

電子から一時的に放出された

γ

が別の電子に吸収される

„

γ

が真空偏極で

e

+

e

-

対に化けると

力が伝達できない

Æ遠距離（低エネルギー）で電磁力は

小さくなる

Æ近距離（高エネルギー）では、電磁力は

Æ近距離（高エネルギ ）では、電磁力は

大きくなる

真空偏極で 時間 真空偏極で 光子が電子 陽電子対 に化けた 距離 に化けた

Running Coupling – 強い力の場合

Runn ng oupl ng 強 力の場合

„

グルオンは自己結合があるので、

遠くへ行けば行くほど 力が強くなる

遠くへ行けば行くほど、力が強くなる

Æだから、「強い力」は強い

グルオンは単独では存在できない

Æ近距離では弱い：漸近的自由

Æ近距離では弱い：漸近的自由

„

W/Z ボソン：

Æ自己結合はある が重いので遠くまで

Æ自己結合はある、が重いので遠くまで

届かない＝弱い

時間 グルーオンが グル オンを

„

素粒子間に働く力は、

Š 力の性質 時間 グルーオンを 産み力の粒子 が増える 力の性質 Š 存在する粒子の種類 によって、変化する 距離 結合定数：小 大 結合定数：小 大

フェルミオンのカイラリティーと質量

Left handed Right handed

粒子の進行方向

„

標準模型では

f

と

f

は別の粒子

Left handed g

„

標準模型では、

f

_L

と

f

_R

は別の粒子

Š

f

_L

は

W

と結合するが、

f

_R

は

W

と結合しない

„

フェルミオンに質量があると、座標系によりカイラリティーが変

わってしまう

_{Æ フェルミオンは質量項を持たない}

わってしまう。

_{Æ フェルミオンは質量項を持たない}

(

)

mass R L L R

L

=

m f f

+

f f

ヒッグス機構

„

Higgs potential

( )

2 _{2 2 4} higgs

=

D

μ

φ

−

μ φ

−

λ φ

L

SU(2)

φ

φ

⎛

_⎜

+

⎞

_⎟

複素スカラ

場

２重項

0

:

SU(2)

φ

φ

φ

= ⎜ ⎟

⎝

⎠

複素スカラー場、

２重項

2

0

0

μ

<

かつ

λ

>

だと、

(2)

(1)

SU

U

μ

×

対称性が自発的に破れる

Æ

真空

は

最低エネルギー状態

„

φ

の１成分：スカラー場＝ヒッグス粒子

（未発見！）

しかし、

場は存在する

（

空間に凝縮

している）

„

φ

の１成分：スカラー場＝ヒッグス粒子

（未発見！）

„

φ

の３成分

Æ

W/Z粒子の縦波成分

（

cf.

γ

は質量０で、横波成分しか持たない）

新しい力： ゲージ粒子と、ヒッグス粒子の相互作用（ヒッグス力）

湯川力

„

ヒッグス力は、ゲージ粒子にのみ質量を生じる。

„

標準模型では、別途湯川相互作用を導入して、ヒッグス場の自発的対象

性の破れにより、フェルミオンの質量も生じるようにした。

[

]

lepton yukawa

= −

G L

_l L

Φ +

l

R

l

R

Φ

L

L

L

quark

G

⎡

Q

d

d

Q

⎤

G

⎡

Q

u

u

Q

⎤

= −

_⎣

Φ

+

Φ

_⎦

−

_⎣

Φ

+

Φ

_⎦

L

„

ミオ

数だけ 湯川結合定数を用意

yukawa

=

G

d

⎡

⎣

Q

L

Φ

d

R

+

d

R

Φ

Q

L

⎤

⎦

G

d

⎡

⎣

Q

L

Φ

C

u

R

+

u

R

Φ

C

Q

L

⎤

⎦

L

C

Φ

は の複素共役場

Φ

„

フェルミオンの数だけ、湯川結合定数を用意

自発的対象性の破れにより、

f f

m

m ff

ffh

= −

−

L

自発的対象性の破れにより、

f

m ff

ffh

υ

L

ffh

結合は

m

_h

に比例する

ffh

結合は

m

に比例する

Branching Ratio of Higgs Boson

g

gg

Light Higgs

Mh < 1000 GeV

Mh < 1000 GeV

精密

EWデータによる類推

Higgs mass bound at 95% CL. LEP EW Working group 2005 Summer

114.4 GeV < MH < 0(200)GeV

ヒッグス質量への理論的制限

„

Higgs ポテンシャルへの高次補正

T.Hambye, et al. hep-ph/9708416

+ _{+ +} V(φ) = + … .H m y , . p p /9

Vacuum stability:

Æポテンシャルの最低点が

Æポテンシャルの最低点が

自発的対称性の破れを

引き起こす

Lower bound on M

Lower bound on M

_H

Triviality:

Æ

λ

λ

Æ

λ

_corr

<

λ

₀

Upper bound on M

_H Λ: 理論のCutoff エネルギー

Higgs質量に関する２つの可能性

gg

„

Higgs は重い：数百GeV 以上

が グ Š Higgs の崩壊幅（Γ_H)がヒッグス質量程度（M_H）になる。 Š この場合、Higgs は未知の力による共鳴状態 テクニカラー理論など… テク ラ 理論な 類似現象：QCD と ハドロン

„

Hi

粒子が軽い場合 200G V以下

„

Higgs 粒子が軽い場合：~200GeV以下

Š Higgs粒子は素粒子。GUTエネルギー(~1016GeV)まで、内部構造は見えな い。

大統一理論

(GUT)

(

)

標準模型を超える物理を考える理由

„

ニュートリノは質量を持つ

Š 標準模型では、Mν=0

Š Electro-Weak scale ( O(100)GeV ) より高いところに新しい物理がある

„

荷電の量子化

Q(電子）+2Q(u-quark) + Q(d-quark)=0

Q(電子）+2Q(u quark) + Q(d quark)=0

Š レプトンとクォークは標準模型の群より大きな群に属していると考えるのが自然

Š GUT モデルでは、SU(3)、SU(2)、U(1)力の強さが、

O(1016_{) G V あたり GUT スケ ル でほぼ同じになる}

O(1016_{) GeV あたり、GUT スケール、でほぼ同じになる}

„

標準模型には、重力相互作用が含まれていない。

Š 全ての力が、O(1019) GeV あたり、Plank スケール、で統一されるのではないか？( )

„

なぜ、クォークとレプトンに、３世代あるのか？

階層性の問題

J=1 J=1/2 J=0 2 2 2 0

(

p

)

μ

=

μ

+

_{+ + + …} 2 2 2 2 Λ 2

∫

対数的発散

項

2 2 2 2 2 0

(

)

(

)

p

Cg

dk

μ

Λ

=

Λ +

∫

+

対数的発散の項

２次発散~O(Λ2)

Λ2 _{がGUTのようにO(10}16_{GeV)なら、 μ(EW スケール)~O(100GeV) になるためには}

μ2_(Λ2_{) は２８桁以上の精度でFine Tuning されなくてはならない。Æ自然ではない} „ 解のいくつか A: 自然は、“自然”でなくても良い B: 余次元が低エネルギ で発現し 大統 エネルギ はO(1000GeV)とする B: 余次元が低エネルギーで発現し、大統一エネルギーはO(1000GeV)とする C: 全てのSM粒子に対応して、SUSY 粒子を導入し、２次発散の項を打ち消す。 Í SUSY粒子の高次効果は、SM粒子の効果の逆符号になる SUSYは完全な対称性ではないÆSUSYが対称性問題の解であるためには、 SUSY粒子の質量は O(1TeV)以下

Coupling Unification in SUSY Model

p g

さ の逆数 結 合の強 さ 結 結合定数の強さは、エネルギーとともに変わる 変化の具合は、どのような粒子が寄与しているかによって変わる LED

Higgs in SUSY model

gg

„

Higgs 2重項が２つ： H

gg

₁₁

、

H

₂₂ Š 真空期待値が２つ： V₁, V₂ Æ tanβ =V₁/V₂ 合計８つの実場 Š 合計８つの実場 3 Æ W/Z の縦波成分 2 Æ Charged Higgs(+, -) : H+_{, H}

-1 Æ Pseudo Scalar Higgs : A0

2 Æ Scalar Higgs 2つ : h₁ h₂ Æ h0 _H0 2 Æ Scalar Higgs 2つ : h₁, h₂ Æ h , H

„

Higgs 粒子の質量

Š 高次効果を考えないと M(h0) < M(Z) Š 高次効果を考えないと、 M(h0) < M(Z) Š 高次効果を考えても、 M(h0) < 130 GeV 程度

ヒッグス研究の要点

„

標準模型では、

ゲージ力

に基づく理論である。しかし、粒子の質量項はゲージ

対称性を破るので、

自発的対称性

の破れにより粒子の質量が生成される機構

対称性を破る

、

自発

対称性

破

り粒

質量

成さ

る機構

を採用した

(

ヒッグス機構

)

。これにより、ヒッグス粒子が予想されている。

„

最近のデーターからは

軽いヒッグス粒子が予想されるが まだ見つかってい

„

最近のデ タ からは、軽いヒッグス粒子が予想されるが、まだ見つかってい

ない。

„

ヒ グス粒子は標準模型の中で唯

のスカラ 粒子である

„

ヒッグス粒子は標準模型の中で唯一のスカラー粒子である。

真空に凝縮している粒子である

„

ヒッグス粒子の性質（質量、生成断面積、崩壊分岐比など）は、高いエネル

ギーでの物理により変わる。

„

ヒッグス粒子は発見するだけでなく、その性質を精密に調べ、

高いエネルギー

の物理のヒントや、真空の性質の理解

を深めることが重要である。

I L C

断面積と

ILC

断面積と

イベント･レイト

ン ト数 500k た りイベ ン 5k 0fb -1 あ た 5k 50 0 50

Detector for ILC experiments

p

„ Good jet energy resolution

l i i id il Detector design Philosophy

J calorimeter inside a coil

J highly segmented calorimeter

„ Efficient & High purity b/c tagging

Muon detector Calorimeter

J Thin VTX, put close to the IP

J Strong solenoid field J Pixel type

Coil

„ High momentum resolution „ Hermetic down to O(10)mrad „ Hermetic down to O(10)mrad

„ Shiled enough against beam-related

b k d

background

Tracker Vertex detector detector

GLD organization

Member :16 countries, 77 Univ./Inst. 224 members UK 5 Germany 3 Japan 28 Philipine 2 Korea 8 Australia 2 USA 11 Canada 1 # inst. y Italy 2 Netherlands 1 Rusia 1 China 5 India 4 Singapole 1 Vietnum 1 Contact Persons

H.Yamamoto, H.B.Park (Asia), G.Wilson(NA)

„GLD Concepts has been developed through E-mails and TV meetings discussion

http://ilcphys kek jp/gld ( ) R.Settles, M.Thomson(EU) Executive board S.Yamashita - Benchmark http://ilcphys.kek.jp/gld [email protected] „GLD DOD: physics/0607154 A.Miyamoto - Software

Y.Sugimoto - Vertex Detector

H.J.Kim - Intermediate Tracker A S i /R S ttl TPC

p y

„Task forces (since March 2006)

„ IR (T.Tauchi ) A.Sugiyama/R.Settles – TPC

T.Takeshita - Calorimeter/Muon T.Tauchi - Interaction Region H.Yamaoka - Coil & Structure

( )

„ PFA (T.Yoshioka)

„ Tracking ( to be decided) P.Ledu - DAQ

M.Tomson - Space

„ ILC crossing angle, Detector hall, push/pull options, etc are hot topics

GLD

GLD features

1. Moderate B field (3T),

All detector except Muon inside a coil All detector except Muon, inside a coil

2. Large inner radius of ECAL(~2m) to optimize for PFA. Absorber: W(ECAL), Iron (HCAL)

Fine-segmented scintillator read out by MPPC Fine-segmented scintillator read out by MPPC 3. Gaseous tracker: TPC with MPGD readout

Excellent Δp_t/p_t2 _{and pattern recoginition}

Vertex and

Intermediate Tracker

Challenge of TPC technology

g

gy

„

Principle of TPC

„ Challenges

Pad Plane CentralMembrane

„ To achieve

σ

_rφ<150μm after long

drift of > 2m

Æ

MWPC (large ExB not good)

...

... Î MPGD readout

„ R&D issues

E

„ R&D issues

„ Gas amplification in MPGD : GEM,

MicroMegas

„ P p ti s f h mb s:

Bz Drift Time Æ Z position

„ Properties of chamber gas:

drift velocity, diffusion

„ Ion feedback control

Drift Time Æ Z position Position at Pad plane

Saga-Hiroshima-Kinki-Kougakuin-TUAT-KEK MSUIIT MPI CEA/CNRS C l t

+MSUIIT+MPI+CEA/CNRS+Carleton

KEK PI2 beamline

Calorimeter

Kobe-Shinshu-Niigata-Tsukuba-Tokyo

„ Finely segmented sandwich calorimeter Š Active material: Scintillator

EM-Scintillator-layer model

absorber plate x 13 super layers Kobe Shinshu Niigata Tsukuba Tokyo

Active material Scintillator

Š Huge number of channel:

EM-CAL(10M), HD-CAL(6M) S i id 3T t

TT 8June05

T-Layer absorber plate

Š Sensor inside 3T magnet

„ Photon sensor: Multi-Pixel Photon Counter

4cmx4cmx2mm

MPC R/O with WLSF

Š Under development by Hamamatsu

Photonics and many other companies.

Š High Gain (~106), High Efficient(~60%)

X-Layer 1 cmx20cmx2mm MPC R/Owith WLSF

g ( ) g ( )

Low operating voltage(~60V),

Good even in 5 Tesla, will be cheap.

Š Limited dynamic range, noise ? Z-Layer MPC R/Owith WLSF

y g ,

„ CAL. With MPPC readout will be tested

soon at DESY/FNAL particles

1 cmx20cmx2mm MPC R/O with WLSF

GLC-CAL super layer

Photon Sensor R&D

„

Merits of Silicon Photon Pixel Counter

Š Work in Magnetic Field

Š Very compact and can directly mount on the fiber Š High gain (~10_{High gain ( 10 ) with a low bias voltage (25 80V)}6_{) with a low bias voltage (25~80V)}

Š Photon counting capability

Front View of sensor

4 mm

O(1k) pixels, Each pixel is in Each pixel is in Geiger mode. # hit pixel = # input lights

3 mm

~1.3mmt = # input lights

Particle Measurements in ILC Det.

„

Particle reconstruction

Charged particles in tracking Detector

Photons in the ECAL

Neutral hadrons in the HCAL

(and possibly ECAL) (and possibly ECAL) b/c ID: Vertex Detector

„

For good jet erngy resolution Æ Separate energy deposits from

 Large detector – spatially separate particles

„

For good jet erngy resolution Æ Separate energy deposits from

different particles

 Large detector – spatially separate particles  High B-field – separate charged/neutrals

 High granularity ECAL/HCAL – resolve particles

R

d=0.15BR2/p_t

“Super” detector

p

„ Jets are copiously produced at ILC.

Efficient detections of jets are crucial Efficient detections of jets are crucial for physics involving W/Z/Top/H..

30% / E eV) 30% / E M 2 qq(G e Projection to M =M 5k events/4y _M 1qq(GeV) to M₁=M₂

ILCでのジェットイベント例

GLD GLD

l !

Dots are signal !

ヒッグス研究の要点

„

標準模型では、

ゲージ力

に基づく理論である。しかし、粒子の質量項はゲージ

対称性を破るので、

自発的対称性

の破れにより粒子の質量が生成される機構

対称性を破る

、

自発

対称性

破

り粒

質量

成さ

る機構

を採用した

(

ヒッグス機構

)

。これにより、ヒッグス粒子が予想されている。

„

最近のデーターからは

軽いヒッグス粒子が予想されるが まだ見つかってい

„

最近のデ タ からは、軽いヒッグス粒子が予想されるが、まだ見つかってい

ない。

„

ヒ グス粒子は標準模型の中で唯

のスカラ 粒子である

„

ヒッグス粒子は標準模型の中で唯一のスカラー粒子である。

真空に凝縮している粒子である

„

ヒッグス粒子の性質（質量、生成断面積、崩壊分岐比など）は、高いエネル

ギーでの物理により変わる。

„

ヒッグス粒子は発見するだけでなく、その性質を精密に調べ、

高いエネルギー

の物理のヒントや、真空の性質の理解

を深めることが重要である。

I L C

Higgs Production at ILC

gg

„

Higgs 生成反応のダイアグラム

„

ヒッグス粒子の生成断面積

„

ヒッグス粒子の生成断面積

>100k ZH For 500fb-1

ヒッグス･イベント選別：

2-ジェット･モード

„

シグナル：２ジェット＋大きなエネルギー欠損

Š 測定された粒子の合計不変質量＝ヒッグス質量 Š 測定された粒子の合計不変質量＝ヒッグス質量 Š 測定されなかった粒子の質量＝Z0 (Pmis = Pcm – Pobs)

„

主なバックグランド反応の除去

Š E+e- Æ ZZ : 測定エネルギーの違い、 ２ジェットに再構成される条件(Ymax)の違い bクォークイベントの選別 などで区別する

Model Independent なヒッグス探索

μ+ Z μ− H e+ _Z Z X H e -μ+_μ-_{系の質量を重心系の} エネルギーから引くと、“ネ ギ ら引く 、 H” の質量を得る Æ H を直接測定することなく Hの質量がわかる

ヒッグス･スピンの測定

Energy scan Higgs 角分布

ILCにおけるSUSY研究

„

SUSY粒子があるとすれば、LHCでまもなく見つかると考えれれている

„

ILCでは、

Š 標準模型や、他のSUSY粒子の雑音チャネルが少ない Š 測定するチャネルが簡単 Š 測定するチャネルが簡単 Š 新しい物理に関する仮定をせずに解析できる

„

Coloured-SUSY粒子は通常

Non-Coloured SUSY粒子より軽い

LHC

Æニュートラリーノやスレプトンの質量は

ILCでO(0.1GeV)で測定できLHCでの

SUSY粒子測定を改善できる

SUSY粒子測定を改善できる

ILC

SUSY破れの解明

Hidden sector

Origin ofg f Flavor blind Visible Sector SUSY break _Interaction MSSM SUSY粒子の

SUSY粒子の 質量の例

„

SUSY粒子の質量と結合定数の測定より、モデルパラメーターを

SUSY破れの機構とシグナル

mSUGRA Gravity Mediated Anomaly Mediated

0 1 3 1 3 ~ ~ ~ ~

mSUGRA Gravity Mediated Anomaly Mediated

Mass Relation g fR fL g f f f m m m m m m m m m m m χ χ ± < < % % % % % % L 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 LSP Discovery R L q f f f NLSP LSP R R G M M M G f f χ χ χ χ χ γ χ ± Δ = − → + → + % % % % % _{% %} % 0 1 1 may be < 1 GeV channel i W G χ± _→ ± ₊ χ τ _{→ + %}τ % % % or or missing Pt missing Pt i i P ff / Sign NLSP ature depend g missing Pt off-vertex / low multiplici ing on ty ev nte s γ τ τ

の探索

R

%l

„

Missing P

_t

と

θ

_acop

が特徴的シグナル

„

偏極ビームが有効

R

„

偏極ビ ムが有効

Š ビームを使うと シグナルは ~ ２倍 バックグランド ~ 0 R

e

−

(

+ −

W W

+ −

)

(

e e

+

→

W W

+

)

の質量の決定

0

1

,

R

χ

%l %

R

χ

1

0 1

,

R

E

_μ

分布のエンドポイント

⇒

%l %

χ

■

の質量

0

0.8

0.6

R

m

GeV

m

_χ

GeV

Δ

= ±

Δ

= ±

%l %1 χ

宇宙論とリニアーコライダー

高エネルギー Æ 極微の世界 Æ 宇宙創生と発展に寄与した Æ 宇宙創生と発展に寄与した 物理の解明

フロンティアへの挑戦

ビッグバン 宇宙の果てを「創る」 リニアコライダー アベル銀河団＠20億光年 宇宙の果てへ「⾏く」 宇宙探査機ボイジャー アンドロメダ銀河＠300万光年 宇宙の果てを「⾒る」 121

宇宙の暗黒物質（

Dark Matter）

銀河の周りを回る星の速度

重力

遠心力

_{G M /}

2 2

_/

銀河

_{重力＝遠心力}

G Mm/r = mv

/r

銀河外

_{v= √GM/r}

2 2

銀河

M

銀河内

_{v=√4πGρ/3 r}

M m

星がほとんどいない遠方まで行っても

速度は落ちない。

⇒我々の銀河にも

_{1 cm}

3

_当たりに

陽子の質量の

_{1/3の光らない物質が}

ある

即ち 暗黒物質が存在

ある

即ち、暗黒物質が存在

暗黒物質の最有力候補

＝最も軽い

超対称性粒子

_χ

～

０

Dark Matter

„ WMAP data suggest dark matter

0

,

?

χ τ

_{% %}

Candidate