LHCの目指すもの

LHCの目指すもの
Mihoko M. Nojiri
(KEK& IPMU)
On the theories in the market
and how LHC tackles them
1.素粒子物理の現状
K、B中間子の崩壊を高精度で測定
ほぼ標準模型と一致
ニュートリノ
振動実験
Bファクトリー
テバトロン
未発見
弱い相互作用の各種
パラメーターを LEP実験
0.001% の精度で測定。vertual 粒子
の効果までわかる。
すべての質量はHiggs から
グローバル対称性の破れ
Higgs 粒子の凝縮
→ゲージ粒子の質量 クオークレプトンの質量
Ｖ
Higgs 粒子のゲージ
相互作用
Ｖ
top
W,Z, !
higgs
新しい素粒子模型 のヒント
少なくとも10TeV くらいまで標準模型が正しいとする。
top significant quadratically
W,Z, ! divergent contributions
higgs
Figure 1: The most
to the
Higgs mass in the Standard Model.
give
湯川相互作用
top loop
− 8π3 2 λ2t Λ2 ∼ −(2 TeV)2
Figure 1: The most significant quadratically
to the
2
9
2 2 divergent contributions
g
Λ
∼
(700
GeV)
SU
(2)
gauge
boson
loops
2
ゲージ相互作用
Higgs mass in the Standard Model. 64π
2
1
2 2
Higgs loop
λ
Λ
∼
(500
GeV)
.
2
16π
GeV??
Thegive
total Higgs mass-squared includesなぜゲージ対称性の破れはO(200)
the sum of these loop contributions and
a tree-level mass-squared parameter.
2
3
2 2
top
loop
−
∼
−(2
TeV)
2 λt Λ
8π
To obtain a weak-scale expectation value for the Higgs without worse than
フェルミオンやゲージ粒子ではこんなことはない
2
9
2 2
gauge
two
g
Λ
∼
(700
GeV)
SU (2)the
gauge
loops
10% fine tuning,
top,boson
gauge,
and Higgs
loops
must
be
cut
off
atpoint
scales
2
64π
2
1
mf log Λ
2 2
satisfying
function
Higgs
loop
∼
(500
GeV)
.
2λ Λ
16π
fermion mass
<
<
<
ΛtopHiggs
Λgaugeincludes
ΛHiggs
TeV.
∼ 2 TeV
∼ 5 TeV
∼ 10
The total
mass-squared
the sum
of these
loop
contributions(1)
and
a tree-level mass-squared parameter.
We see that the Standard Model with a cut-off near the maximum
attainable
2
To obtain a weak-scale expectation value for the
Higgs
without
worse
−
p
pν )Πthan
Π
=
(g
p
energy at the Tevatron (∼ 1 TeV) is natural, and weµνshouldµνnot be µ
surprised
10% fine tuning, the top, gauge, and Higgs loops must be cut off at scales
4
New Symmetry →New Particle
Higgs sectorの発散をコントロールするには、大きな枠組
みの変更が必要
アイデア
超対称性
グローバル対称性(little Higgs model)
ゲージ対称性(ある種の余剰次元模型)
あるいはプランクスケールが小さかった。
しかし、いままでの観測と矛盾してはいけない！
(h† Dµ h)2
δL =
Λ2
Λ > 5TeV
5
TeV スケールで標準模型が変更されるとすれば
ゲージ相互作用は標準模型と同じ(LEP)
発散はゲージ相互作用と湯川相互作用にあら
われるので、どちらも何らかの拡張が必要。
一方で新しい粒子が直接標準模型と混合しな
い模型であることが必要。
ゲージ粒子、ヒッグス粒子、クオークにパー
トナー粒子を入れる模型で、かつパリティ構
造がある模型は良い。パリティ構造はダーク
マターをつくるのに重要
SUSY with R parity
Little Higgs with T parity
Universal extra dimenison (Z2 symmetry) from Nicon home page
6
パリティ構造と安定性
R=1
R=-1
禁止
危険な 混合を禁止
OK
一般的に 1/4π^2
禁止
一番軽いR=-1の粒子
は安定 （DM）
7
超対称模型と Little Higgs 模型
超対称模型
Little Higgs 模型
超対称性が発散を禁止
グローバル対称性が発散を禁止
ゲージ粒子の補正はゲージーノ粒
ゲージ粒子の発散は重いゲージ粒子
子が、トップの発散はスカラー
が、トップの発散はトップパートナー
トップが消す。
が消す。
パートナーはスピンが1/2違う
パートナーはスピンが同じ
新粒子はすべてパリティ負
パートナー粒子はすべてパリティ 負
暗黒物質はゲージやヒッグス粒子
暗黒物質は重たいゲージ粒子
の超対称粒子
現在の理論の制限にあうように模型をつくると現象論
は大変似てくる
8
personal view
DM 有り
大きな補正がない。
DMは手でいれた。
大統一理論
FCNC &CP
２次発散
SUSY
2. LHC実験（2007？∼）
円周２７Kmの巨大リング(陽子陽子衝突）
ビームエネルギー 7000GeV（今の７倍）
場所：スイス、フランス
2. LHC実験（2007？∼）
円周２７Kmの巨大リング(陽子陽子衝突）
ビームエネルギー 7000GeV（今の７倍）
場所：スイス、フランス
1)27Km にわたって、精密機器を並べ
2) 1K 程度に冷やす。（磁石）
3)そこにTNT火薬にして100Kg のエネ
ルギーを持った陽子ビームを通す。
4)ビームの太さは 16マイクロメータ。
25nsに一回衝突。
5)部品は世界中からやってくる。
International
collaboration
=4751FE<4$
CMS and ATLAS
中心はシリコンピクセル／ストリップ
Barrel: about 50% ready
ATLAS low field and
large （高さ25m）
Expensive
Testbeam 2003:
EM calorimeter(鉛タングステン）
$E
E
#
K8JM ! 9J8GH KL8M ! 8'G MeV
"
" K9J: ! 9J9IGH
E
E N GeV
High magnetic field and compact
;%<%= >1172?@2,'+ABC
=4751FE<4$
CMS and ATLAS
中心はシリコンピクセル／ストリップ
Barrel: about 50% ready
ATLAS low field and
large （高さ25m）
Expensive
Testbeam 2003:
EM calorimeter(鉛タングステン）
$E
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E
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High magnetic field and compact
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CMS and ATLAS
中心はシリコンピクセル／ストリップ
Barrel: about 50% ready
ATLAS low field and
large （高さ25m）
Expensive
Testbeam 2003:
EM calorimeter(鉛タングステン）
$E
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"
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E
E N GeV
High magnetic field and compact
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測定器の世界
ν, DM
Muonは測定器を抜けて
出て行く
Muon の運動量の測定
ハドロンはとまりにくい
光と電子はすぐにとまる。
ハドロン
カロリメーター
（エネルギーを
測る）
トラッカー
（荷電粒子の
軌跡をはかる）
これが
な
できな いとBが
いVer
ここに8000万
Detec tex
tor
チャンネル
測定器はIPから
くる粒子をもっとも
よく測定できるように
配置されている
The gluino and
squark decays are associated with jets with high transvers
ハドロン衝突とDM生成
transverse momentum is the order of the gluino and squark masses. Moreo
ビーム方向に抜けていったものはわか
• significantly
lighter than the gluino, the LSP from the gluino decay also ha
らない。（測定器がおけないから）
give
a large missing transverse momentum to the SUSY events. In addit
sparticles may produce high PT leptons. Events from the standard model
such high pT particles.
DM
クオークは生成されると「ジェット」
• have
Missing PT
Motivated by these observations, following cuts are often applied to red
になる。
events to the SUSY signal events[2];
New particle
•
• An event is required to have at least one jet with PT > 100 GeV and thre
within |η| < 3,
ジェットやレプトンの横方向の運動量
は 見えない粒子(ニュートリノやDM)
New particle
•
The
effective
mass
of
the
event
must
satisfy
Meff > 400 GeV, where the
がなければ釣り合っている。
DM
using the transverse missing energy and the transverse momentum
of f
pT1, pT2, pT3.....
!
pT i + ETmiss .
Meff ≡
• ETmiss: 横方向運動量のベクトル和
i=1,...4
•
If the event has hard isolated leptons, the effective mass may be define
Meff ジェットの横方向運動量の絶対
値の和 + ETmiss
Meff ≡
!
i=1,...4
pT i +
!
leptons
pT l + ETmiss .
歪んだイベント探し＝DM探し
ETmiss
クォーク→ジェット
DM
DM
CMS
バックグラウンドと発見
•
+71$$'$4&2%1D$'('2"4'
CMS
典型的なSUSY 粒子の生成率は
1TeV の粒子で は 10 fb-1,で10^4
個 、一方 BGになりそうな粒子の
生成数は 109-8 ( W, Z ttbar)
•
分布の理解が重要
•
BG
signal
jetsの横方向運動量, Meff 分布
(theoretical complexities)
•
見えない運動量をきちんと計
る(Experimental complexities)
だいたい超重力模型で
!"#$%&$'(')*+,'-./!'0#121,'34&45647'899:
squark mass 2.5TeV
くらいまで発見可能
シグナルとバックグラウンド分布
gg → T− T−∗ , T− → tBH
Background
800
80
600
60
40
400
E Tmiss (GeV)
E Tmiss (GeV)
300
100
Signal
800
BG 多いが分布は異なる
200
600
100
400
20
200
600
1000
1400
M eff (GeV)
1800
0
200
600
1000
1400
M eff (GeV)
! jets
jets jets
Etmiss が Meff にくらべ
相対的におおきいのが
t
!
TT
シグナル
!t
! jets
A H AH
!
!
1800
0
LHCは物理になるか？
•
Tevatron の初期: 理論が予言するイベント分布と、実験が全くあわな
かった。
•
MCの進展
•
Z + n Jets: Jet Multiplicities
MC normalized w.r.t. total number of events observed in data
パートンシャワー近似：２体から２体のプロセスに同じ方向のグルオン、
MC range stat: central value ±1"stat for MC
クオークの放出を足し上げることでジェット生成を近似
!
!
MC range stat & sys: central value ± stat and sys
!
Main data error due to jet energy scale uncertainties
2体から３体以上の寄与を入れる。
!
•
ME correction PSでは取り込めない
（大角度、高エネルギー放射 ）
•
シュミレーションツールの標準
化が大きな役割。
•
PYTHIA
LHCのSUSY BGではttbar + 3 jet,
W(Z) +6 jet (!) までBG estimation
に取り込まれている。
Krauss
- too few multijet events
SHERPA
3.新しい物理の測定と暗黒物質
•
超対称粒子の質量が 1TeV 程度で一年で 10(100) fb-1*
1pb~104~5 eventのサンプルが得られる。
•
これだけの量のデータがあっても、LHCで標準模型を超え
る物理の基本的な量を測定をするのは 簡単ではない。
•
陽子のエネルギーのどの程度が衝突に参加したかわからない。
•
見えない運動量がある。（発見にはいいが。）
•
強い相互作用が関わっている。
LHCでの質量の測定
m(ll)
m(jl)
LSP
lepton
m(jll) with mll>0.5 mll(max)
lepton
squark
jet
Hinchliffe et al (97)
ee+μμ-eμ subtraction
is effective to select
single channel
m(jll)
Summary in SPS1a
(一番やりやすいケース)
from LHC/LC study
particle
mass
error(low)
error(high)
gluino
595
16.3
8.0
bbll
squark(L)
540
21.2
8.7
jll
squark(R)
520
17.7
11.8
MT2 10GeV sys
χ̃04
378
14.6
5.1
χ̃02
χ̃01
177
13.4
4.7
96
13.2
4.7
正しい粒子の組み合わせを、模型に
よらずにえらんでくるのが難しい
宇宙物理が素粒子物理と出合う。
コライダーによる暗黒物質
の発見。相互作用の決定
ビッグバンを
仮定した暗黒
物質の量
初期宇宙の
原子核へのあたりやすさ
宇宙での対消滅レート
反陽子、光子のスペクトラム
銀河内分布や
素粒子現象
伝播の不定性
暗黒物質の直接探索
宇宙線の観測の
CDMの量
高精度化
宇宙の観測
LHCは宇宙初期を再現する。
• 宇宙初期のの熱平衡から
DMが切りはなされて、現在の
暗黒物質密度
宇宙に残る（熱的生成） •暗黒物質密度は密度は宇宙
初期の暗黒物質の対消滅確率
に反比例（DM探索？）
宇宙が小さい
高温
時間軸
•非熱的生成(heavy particle
decay, inflation .....）はこの関
係を壊す
MN, Polesello and Tovey
hep-ph/0512204
Baltz et al (2006)
LHCでえられる暗黒
0.14
Probability density
物質密度の制限
LHC+ILC(1000)
!h2
0.12
0.1
+/-20%
LHC
LHC+ILC(500)
0.08
80
100
m(LSP) (GeV)
120
P-! scattering cross section(pb)
DMと原子核との
Figure 17: Spin-independent neutralino-proton direct detection cross se
散乱断面積はほとんんど
LCC1. See Fig. 8 for description
of histograms.
レプトンにいくモードが多く、s-channel
のプロ
決まらない
9: Value
of the predicted relic density Ωχ h2 as a function
of the measured χ̃01 mass.
セスが押さえ込める場合はある程度（２０％く
efficiency.
らい） DM密度を決めることができる。In Fig. 20, we show the likelihood distribution for the effective local
by does
combining
the distribution
of values
gs mass is fixed, and its experimental uncertainty
not contribute
to the error
on of the cross section with the
certainty of the direct detection measurement. Using the data from th
c density prediction, as for high Higgs masses the contribution of channels involving
21世紀の物理の中心課題は
•
暗黒物質を作る (LHC)
暗黒物質発見
√s=2TeV 14TeV
•
SUSY (”standard new physics”)
dynamical sectors?
•
強い相互作用する新しい粒子が暗黒物質に崩壊できるなら、それは運
Extra dimension
動量のバランスしていないイベントとして見つかるはず。
•
暗黒物質を捕まえる •
直接探索（測定器に残るエネルギーを見る）
•
間接探索（暗黒物質が対消滅してできる宇宙線を見る）
DM探索もどんどん進んでいる。
LHCでアクセス
DAMA2000 不可能(MSUGRA)
Cross-section [cm2] (normalised to nucleon)
-40
10
http://dmtools.brown.edu/
Gaitskell,Mandic,Filippini
-41
10
-42
10
•
2000年 10-41 cm2レベル
•
2005年10-43 cm2レベル
•
2007年 10-44 cm2 レベル！
•
limit の更新にはいつでも新し
CDMSII 2005
-43
いテクノロジーの発展があっ
10
た。
-44
10
070506193601
1
10
2
10
WIMP Mass [GeV]
Xenon10 (April 2007)
3
10
•
典型的な超対称模型のDMは
10-44 cm2から10-47 cm2
VII. THE HEAT RESULTS
to achieve these good fits. These cross sections are eac
well above the value acceptable for a thermal relic (s
Eq. 12).
positron signature
（HEATからPAMELA へ ）
The HEAT (High-Energy Antimatter Telescopes) experiment’s balloon flights in 1994-95 and 2000 have measured the cosmic positron spectrum between energies of
approximately 1 to 30 GeV [18–20]. When this data is
presented as a positron fraction, an interesting feature
like a bump appearing
appears. The origin of Wino
this feature,
Higgsino
like GeV, is not understood. Although many efforts
at 7-10
have been made to fit this feature with a contribution
5 been shown to be
from annihilating dark matter,
BFit=has
r
o
f
T
very difficult tofisatisfactorily
match the spectrum of the
t HEA
bump [15–17,42].
=5 bumpFar more statistically significant
A BFthe
PAMELthan
feature present in the HEAT data, however, is the overDM密度標準
all excess of positrons above the background prediction
at energies above about 7 GeV. This, in principle, can
5
certainly be accommodated
MS BbyF=a contribution to the
A
positron spectrum from dark matter annihilations, although rather large cross sections or boost factors are
required to do so.
To judge the degree that adding a dark matter component to the positron spectrum improves the fit to the
HEAT data, we calculate the χ2 ,
χ2 =
! (NObs − NDM − NBG )2
∆NObs
,
(14)
non-thermal mechanisms there
ments of Eq. 12. In some scen
annihilation cross sections may
into LSPs at a later time. Long
such as gravitinos or Q-balls, w
intermediate states. In a nonFIG. 19. The positron fraction for dark matter annihil
tions to bas
b̄ forthis,
WIMP the
massesLSP’s
of 100, 300
and 600 GeV (bo
annihilation
HEAT
tom to top on the right
side of data
the figure). In each case, t
siderably
than inwas
the
sta
normalization
of the darklarger
matter contribution
chosen
高エネルギー物理学の感覚で
maximize[35].
the quality of the fit to the HEAT data (shown
error bars). We find χ2 ’s per degree of freedom of 23.5/1
For fora 100,
more
discus
いえばバンプではない。
13.6/12 and
9.7/12
300 anddetailed
600 GeV WIMPs,
respe
tively. Considering a dark matter distribution with BF =
matter
various GeV/cm
supersymmtr
3
(see section
III) andin
ρ(local)=0.43
, annihilatio
−26
3
cross sections
of
σv
=
9
×
10
cm
/s,
2.5
×
10−25 cm3
Ref.
[36].
−25
3
MSSM
where
the sum with
is over Ω制限
energy bins (one for each HEAT
error bar), NObs is the number of events observed in that
bin, NDM is the number of events predicted from the
and 5.5 × 10
cm /s are needed for these fits for 100, 3
暗黒物質の対消滅からの反粒子が
and 600 GeV WIMPs, respectively. The solid line is the bac
annihilating dark matter contribution, NBG is the numground-only prediction.
ber of events predicted from the background contribution
発見されれば、暗黒物質の非熱的な
and ∆NObs is the error associated with the measurement
VI.
Hooper
and
Silk
hep-ph/0409104
It is worth noting
thatKALUZA-KLEIN
the situation shown in figure D
1
in neutralino
each
energy
bin.
FIG.
15. The
annihilation
cross
section
in
the
2
生成メカニズムや、近隣の暗黒物質の
can be improved if more favorable diffusion and halo p
The χ we find for the background-only curve
is 47.2
low velocity limit
for
parameters
within
the
MSSM
which
2
rameters are used. For example, if we use a diffusio
over 12 degrees of freedom (error bars). This χ of alIn the
models
with
extra
spatial
yield a thermal relic
density
in
the
range
measured
by
WMAP
constant twice
size of our
standard
choice
(shown
most 4 per degree of freedom represents a very 固まり（クランプ）の証拠になる。
poor fit
Eq. 2), we
can improve
the fit to the
HEAT
data su
to the HEAT dark
data. shading)
The overall or
quality
of this fit can
(ΩCDM h2 = 0.129−0.095,
a somewhat
larger
(KK)
excitations
of
Standard
stantially, consistent with WIMPs as light as 30-40 GeV
2be dramatically improved by including a new component
”見えない”ものがDMだったらどうなるか
•
gravitino (グラビテーィノ）DM
•
重力の超対称粒子。宇宙初期の非熱的過程から生成される。
•
とても相互作用が小さい。典型的に1/Mpl^2。直接探索は不
可能LHCなら、次に軽い超対称粒子(NLSP) が準安定である
ことを見ることができる。
•
NLSP崩壊が宇宙初期の元素合成に影響を与えた可能性
•
NLSPの寿命にはほとんどなんの制限もない。測定器の中は
30ns で通過。電荷があればトラックとして見える。
Stopper Detector
•
Hamaguchi, Kuno Nakaya,M. N.
Hamaguchi, M.N., A. De Rocheck,
NLSP がlifetime が長いと主測定器
ではgravitino ができるところが観
測できない。
•
追加の測定器を用意して、CNLSP
を止めて崩壊を測定することは可
能。(スロウな実験）
•
CMSの測定器の周りは、比較的多
く空間があるので、8Kt サイズの測
定器をおくことが可能。ATLAS で
は絶望的
•
100fb-1 CNSLP の存在を確立=>
1000fb -1 で大量生産。
アトラス実験室はパイプだらけ
4.LHC建設の現状
ビームパイプがつながりあとは冷やすだけ
!""#$%"&'()"(*+,(-(.)(/01)"2(3$4
宇宙の温度より
低いと宣伝
!"#
• 少し前の「事件」
•
3月27日圧力テスト中にFermi 製Magnet
の冷却系が壊れる
•
破損したのは、超伝導部分（1.9K) を支
えるための部品。熱流入を押さえる必要
!
! "#$%&'()*+,-./01'234)56789:;<'=>?*@!
!
がある。頑丈に作っておけばよいという
部品でない。とはいえ強度がたりなかっ
た。
•
!
"#$%&'()*+,-./01'234)56789:;<'=>?*@!
!
!"#"!
!
フェルミラボが全力で修理の方法を確立
最近の話題
!"#"$%&'(#)(*+,'!"#$%&#'()*+#,-./01
!"#$2.3#*456789:;<
=>?@A7BC
!DE7FGHIJKLM
!"#$%&'()*+#",-
KEK 中本建志
!"#$%&'()*+,-./0%12345(6789:
;.789'<8=>?@ABCDEF<8=GH
I8JKL'MNOPN@*+Q()RS,DTU
BVWXQ
KEK 中本建志
5. まとめ
•
加速器：大変な難事業だが、完成させることができる体制は
ある。
•
物理：シグナル、バックグランドの理解、ツールの整備等は
ある程度進んだ。
•
宇宙初期の状態を作るのがLHC。DM=見えない運動量。高い
発見能力 •
直接探索 vs LHC 100Kgの測定器 vs 10Kton