資料4 フレーバー物理のアプローチ

フレーバー物理のアプローチ

平成

26年9月22日

第

4回素粒子原子核作業部会

山内正則

標準理論 の世界 未知の物 理が支配 核力が 支配 物質と反物質は対等 圧倒的に物質優位 物質・反物質の アンバランスはこ の間に起こった。 物質・反物質の アンバランスはこ の間は変わらず。

素粒子物理学による自然界の謎の解明

素粒子物理学による自然界の謎の解明

新しい物理の発見 解明に向けた3つの アプローチ

エネルギー

フロンティア実験

ニュートリノ

実験

LHC, ILC, CLIC, FCC …

SuperKEKB、 LHCb, K崩壊実験, μ-e転換、g_m-2．．． 長基線n 実験, 原子炉n実験、0nbb …

フレー

バー

物理

LHC J-PARC

KEKB upgrade

ILC 新しい粒子混合とCP非対称性、 左右の対称性、新粒子の寄与、 レプトン数非保存_… ニュートリノ振動、質量、CP非対称性、 レプトン数非保存．．． Linac 3GeV synchrotron

Material and Life science facility

Hadron hall n facility 50GeV MR Nucl. transmutation facility 4ヒッグス粒子、超対称性 粒子などの新粒子 4ダークマター候補 4新しい時空の構造 ．．．

加速器による素粒子物理学 ‐ 今後の展望

エネルギーフロンティアとフレーバー物理の相補性

K

-K 混合の発見

チャームクォークの発見

K 中間子の

CP非対称性

ボトムクォークと

t レプトン

B

-B 混合の発見

Top quark

B 中間子の

CP非対称性

新しい物理？

SUSY？

フレーバー物理における発見

エネルギーフロンティアにおける発見

??

1960

1974

1964

1977, 1975

1987

2001

1995

20XY

次世代のフレーバー物理の役割

LHC はTeV領域での新しい物理の直接探索を始めている。このエネルギーは電磁対称性の破れ のスケールであると同時に、新しい物理のエネルギースケールである可能性が高い。 そうであれば新しい物理の効果が B/D/K/t/m などにも現れるのが自然。 新しい物理のフレーバー構造やCP 非対称性がどうなっているかは興味 深い問題。 これらの研究は_{SUSYの破れの仕組み} を理解するのにも大変有用。 新しい物理が_{TeV領域に見つからない場合}

…

フレーバー物理において標準模型か らのずれを探すことは次のエネルギー スケールを決めるために大変有効。 しかし、_{TeV領域の新しい物理を調べるた} めには、フレーバー物理の測定精度を大 幅に改善する必要がある。

W. Altmannshofer, A. J. Buras, S. Gori, P. Paradisi, D. M. Straub, Nucl. Phys. B830, 17-94, 2010.

KEKB and Belle

B中間子におけるCP非対称性の発見 中間子崩壊までの時間（ピコ秒） 観 測 事 象 数 B中間子 _{反B中間子}

B

ファクトリーの研究成果

B

ファクトリーの研究成果

B中間子におけるCP 非対称性の発見 X（3872）の発見 ペンギン崩壊のCP 非対称性の発見 B→Kp 崩壊のCP 非対称性の発見 b→dg 遷移の発見 B→tn 崩壊の発見 D0_D0_{振動の発見} B→Kp 崩壊のCP非対 称性の異常の発見 Z（4430）＋ の発見 デ ー タ 量 （f b -1 ） さらに数多くの発見、新しい測定 小林・益川理論 を証明 小林・益川理論を証明し、標準理論の確立に貢献 同時に、標準理論だけでは説明が困難な現象を 複数発見 4つ以上ののクォークからなる新しい粒子を発見 これまでの代表的な成果

SuperKEKB

大電流を目指した高周波 加速の増強 陽電子源の改良 陽電子入射のための ダンピングリング ナノビーム衝突のための ビーム収束磁石 低エミッタンスを実現するため の電磁石配置 e+_(3.6A) e-_(2.6A) Beam NEG pumps SR _{光電子不安定性を回避} するためのビームパイプ

KEKB加速器の高度化

Belle II 測定器の高度化

9

7.4 m

粒子識別装置 m & K_L 検出器

5.0 m

電磁カロリ。メター シリコンバーテックス 検出器 中央飛跡検出器

Belle-II 実験グループ

600 collaborators from 94 institutions in 23 countries Spokesperson:

Tom Browder (Hawaii) Series of open collaboration

フレーバー物理による荷電ヒッグスの探索

tan cot b u m m

b

u

H

+

/W

+ tan m

t

+ B n

_{B->tn: H-b-u coupling}

B->Dtn : H-b-c coupling

gb->tH: H-b-t coupling

H -b u t n B→tn B→Dtn t n b H c

ATLAS 30 fb

-1

0

600

0

50

0

50

SuperKEKBにおける

荷電ヒッグス探索の感度

t におけるレプトン数非保存の探索

SU(5)+n

_R

, non-degenerate n

_R

(I),

Normal hierarchy

12 ( )e 0 ( )e 2 23(13) l

(m )

t lg

t 3l,lh

( )s ( )s

h

model Br(t→mg) Br(t→lll ) mSUGRA+seesaw 10-7 ₁₀-9 SUSY+SO(10) 10-8 ₁₀-10 SM+seesaw 10-9 ₁₀-10 Non-Universal Z’ 10-9 ₁₀-8 SUSY+Higgs 10-10 ₁₀-7 Goto et al.,PRD77, 095010 (2008)

10

-9

10

-8

CERN LHCb実験

LHCb実験は、ＬＨＣ加速器でのＢ物理等に特化した実験

（ＬＨＣでは陽子・陽子衝突により前方に大量のＢ中間子を生成） 16ヶ国、67機関、1057人よりなる国際共同実験 • 衝突点の片側前方向に生成された粒子を測定 • 高性能な軌跡検出器、崩壊点測定器、粒子識別装置などを備える • 中性粒子の検出効率が低い、複数のニュートリノを含む崩壊等は測定困難などの弱点あり 測定器のアップグレードを計画中: 2018年までに約10/fb、2023年までに約25/fbのデータ

LHC: 陽子・陽子衝突

7, 8, (13,14) TeV

これまで_{(2013)に 3/fb のデータを収集} Bs中間子振動・CP非保存、Ｂ中間子の稀崩壊、エキゾチック粒子などの成果

J-PARC

Joint project between KEK and JAEA

Bird’s eye photo in January 2008

Neutrino beam

(to Kamioka)

Hadron exp.

facility

3 GeV Booster

Linac

Nuclear & Particle Physics with J-PARC Hadron Beam

L,X

N

Z

_{L, S Hypernuclei}LL, X Hypernuclei S tr a n ge n e ss 0

Hypernuclei

-1 -2

K1.8

KL

SKS

K1.8BR

K1.1

d u u d s Pentaquark + He 6

f

Free quarks Bound_quarks

Why are bound quarks haevier？

Quark

Mass without Mass Puzzle

K0 _{→ p}0 _nn L Kaonic nucleus Kaonic atom

Ｘray

Ｋ

− Implantation of Kaon and the nuclear shrinkage K meson

E19

E17

E14

T-viola-tion

16

標準模型の予想の精度が非常に良い

分岐比

_{= 2.43(39)(06) x10}

-11

稀崩壊の測定

_{→新粒子の寄与の検知}

を目指す

SUSY

Z’

CP対称性を直接破る崩壊

→粒子反粒子非対称の新たな起源を探す

新粒子の

”ループ”による寄与

新粒子の

”ツリー”による寄与

K中間子稀崩壊

による

New physics探索

17

標準模型

M

Z’

= 500 TeV

高エネルギーの新粒子の寄与を

標準模型からのずれの

”パターン”を通して同定する。

（

LHC、ILCによる

直接探索・測定と相補的）

CP対称性を直接破る崩壊

J-PARCでのKOTO実験

例えば

による効果

（

_{CPの破れは間接的）CERNでのNA62実験}

たて軸

よこ軸

K中間子稀崩壊

による

New physics探索

18

CP対称性を直接破る崩壊

J-PARCでのKOTO実験

（

_{CPの破れは間接的）CERNでのNA62実験}

2013年から

データ収集開始

2018年頃までに

標準模型の

感度の領域へ

2014年からデータ収集開始

2018年以降KL実験へ参入する意思あり。

* 米国でKやBの実験が立ち上がる事は、

もう無い。

K中間子稀崩壊

による

New physics探索

COMET実験概要

m

-

e

-

n n

m

-

+ (A, Z)

n

_m

+ (A,Z - 1)

nuclear muon capture

Muon Decay In Orbit

m

-π-_{+(A,Z)→(A,Z-1)*, (A,Z-1)* →γ+(A,Z-1), γ→e}+_e

-Prompt timing Other sources

μ- _{decay-in-flight, e}- _{scattering, neutron streaming} proton pulse

prompt background

muon decay

SINDRUM II BR[μ- _{+ Au →e}- _{+ Au] < 7 × 10}-13

R

ext

=

number of proton between pulses number of proton in a pulse

m

-

+ (A, Z)

e

-

+ (A, Z )

μ-e conversion

• Eμe(Al) ~ mμ-Bμ=105MeV

–B

μ

: binding energy of the 1s muonic atom

ミューオン原子生成

Proton Beam

Pion production

target

Muon stopping

target

Electron Spectrometer

Pion collection

M

u

o

n

t

ra

n

sp

o

rt

COMET m-e conv. search

• 荷電レプトンのレプトン数非保存を探索

– 最終的な感度

10

-16

(S.E.S. 2.6×10

-17

₎

– 現在の上限値

SINDRUM-II BR[μ

-

_{+ Au →}

e

-

_{+ Au] < 7 × 10}

-13

_を

_4桁改善

• 信号

: 105MeV 単エネルギーの電子

• ビームへの要求

–

8GeV バンチビーム

– 最終感度に至るために

8.5x10

20

_陽子

–

7 uA (56kW) x 2 years (2x10

7

_sec)

–

Extinction <10

-9

Al Ti

Pb

Vector（Z）

/Vector

（

_γ）

Dipol

e

Scaler

CIRIGLIANO, KITANO, OKADA, AND TUZON PHYSICAL REVIEW D 80, 013002 (2009)

COMET将来展望

•

Phase I

–

10

-14

_感度

_2016-2017

•

Phase II

–

10

-16

_感度

_2019-2020

• 事象が観測されれば重い標的で

ミューオン原子からの

μ-e転換を測

定し、原子核依存性を調べる

– 力のタイプにより依存性が異なる

–

μ→eγ、μ→eeeが見つからなくともμ-e転

換探索単独でのスタディが可能

•

μ-e転換探索により適したビームを

FFAG加速器により生成

–

R&DがUK、日本を中心とした国際コ

ラボレーションで継続中

– 位相回転により短パルスミューオン、

単色ミューオンビームを生成

NuFACT13 J. Pasternak

μEDM

Search for Electric Dipole Moment

Space-time Symmetry and Origin of Matter

g−２

Precision Measurement of Anomalous Magnetic Moment

Muon Precision Experiment to search for New Physics

Improve by x 100

and more

(1x10

-21; -24

_{e cm )}

Improve by x 5

(0.1 ppm )

Time Reversal

+

-+

-異常磁気能率

m

g

_m

-2/

mEDMの超精密測定

CP-even

CP-odd

素粒子標準模型の総合試験

標準模型の綻びが示唆されているが。。。

実験値と理論値の乖離が本物なのか？

LHCでの発見も含め新しい物理法則があるとすれば、

拡張標準模型が正しいか？ また

_{CPを破っているのか否か？}

Muon g-2 vs LHC

24

arXiv:1303.4256

このようなプロットは理論の精度が追いつく限り永遠に続く。

（現状では、

QCDの理解が制限している）

Magic vs

“New Magic”

米国BNL( Fermilab)の手法と相補的

22

14m diameter

26

新UCN源

超流動ヘリウム

冷却装置

UCNガイド

超伝導コイル

偏極装置

陽子ビーム

中性子の電気双極子能率（ｎ

EDM）測定実験

nEDMは時間反転 対称性が破れて いる証拠 次世代の実験で 10-27_ecm以下の 測定が期待される。 SMでは10-30_ecm以下 阪大_{RCNP、TRIUMF、} 欧米に数か所の計画

阪大・

RCNP

宇宙のバリオン創成 標準模型を超える物理 質量の起源

「大きな謎」の解明へ

「大きな謎」の解明へ

物理法則の基本的対称性

まとめ：フレーバー物理による「大きな謎」の解明

まとめ：フレーバー物理による「大きな謎」の解明

小林・益川位相以外に CPを破る位相は？ ヒッグスとクォーク、 レプトンの相互作用 小林・益川理論以外に クォーク混合は？ レプトン数を破る反応 は存在するか？ フレーバー物理が答 えるべき基本的問題 フレーバー物理が答 えるべき基本的問題 CPTは保存される？ 右巻きカレントは？ フレーバー物理 で可能な測定 フレーバー物理 で可能な測定 BgDtn、 Dmnの精密測定 Bgtn、mnの精密測定 B g K(*)_{nn の測定} 小林・益川理論の精密測定 新しい_{CP位相の探索} tgmg などの探索 DD 振動の測定 CPT保存則のテスト K_L→p0_{nnの異常？} me 転換 の探索 m g_m-2 の異常？ mEDM の探索 荷電レプトンの新しい力？