講演資料

巨大加速器で探る
ヒッグス粒子の謎
31.5.2013
NISTEPシンポジウム
小林富雄 （東京大学）
徳宿克夫 （KEK）
1
137億年
太陽系の形成
400万年前
40億年前
46億年前
130億年前
宇宙の歴史
宇宙はビッグバンで始まった
2
物質は何から
できているのか？
陽子や中性子は
u-クォークとd-クォークで
できている
 ニュートリノ
電子
ミューオン
物質を構成する
素粒子
3
素粒子の間に
働く力は？
“光子”
量子力学では
“波” = “粒子”
陽子
π中間子
中性子
湯川先生
力は粒子を交換することで伝わる
4
γ
クォークやレプトンの間に
働く力は？
g
光子
グルーオン
物質を構成する
素粒子
Z W
力を媒介する
素粒子
これらの力（相互作用）を
記述するのが標準理論
（ゲージ理論）
5
素粒子は重さ（質量）をもっている
質量の起源は？
ボソン（スピン1）
ボソン（スピン0）、真空と同じ性質
フェルミオン（スピン1/2）
・現在の素粒子の理論（標準理論）では
ヒッグス粒子を仮定して質量を説明する
・だがヒッグス粒子だけが未確認だった
6
ヒッグス粒子(場)が質量を生み出す仕組み
“自発的対称性の破れ”と
“ヒッグス機構”
南部先生
ヒッグス
真空の対称性が破れると
質量０の粒子（NGボソン）が存在
--- 南部・ゴールドストーン
NGボソンが
素粒子の質量に
ヒッグス場の
ポテンシャル
NGボソン
真空の
相転移
ビッグバン直後の真空
H
ヒッグス粒子
ビッグバンの10-10 秒後の真空
7
陽子と陽子の衝突
LHC (Large Hadron Collider)
1995年に建設決定。
それから長い建設期間を経て2009年
から衝突実験開始
周長
27km
シンギャップチェンバー
超伝導トロイド電磁石
（バレル用）
陽子の衝突点
ミューオン検出器
（電子回路）
22m
巨大加速器で
質量の起源：ヒッグス粒子の発見
を目指す。
超伝導トロイド電磁石
（エンドキャップ用）
超伝導ソレノイド電磁石
43m
内部飛跡検出器
カロリメーター
赤は日本の分担部を示す
陽子・陽子衝突について
陽子
g
g
u
u
ヒッグス粒子
陽子
７TeV
d
単純な模型での陽子
実際の陽子
実際にアトラスで取られたヒッグス候補
CERN-LHC加速器
From LINAC to LHC…
??
H
2004: The 20 member states
陽子・陽子衝突について
一回の衝突毎に測
定器にたくさんの粒
子が記録される。
実験はそれを写真
にとるようなもの
加速器のビームパイプ
（真空）
1000億個ぐらいの
一回の交差で約20個の
バンチは一秒間に
陽子がかたまりに
陽子と陽子がぶつかる
4千万回交差
なって加速器の中を
回る （バンチ）
かたまりの大きさ16μｍ
バンチは加速器の中を何周もしながら徐々に数が減っていく、
（髪の毛より細い）
一日に数回入替えをする。
通常のクォークやグルーオンの散乱
一秒に8億枚
ヒッグス粒子の生成
10～100秒に1枚
100億人の人の中から知人をさ
がすようなもの。
他人の空似に惑わされないで
正しい発見をするには、
よい測定器 と 邪念のない心
が大事
12
ATLAS Collaboration: 38 カ国 176の大学・研究所 の共同実験
~3000 人の研究者（内 大学院生約1200人）
13
ATLAS Collaboration: 38 カ国 176の大学・研究所 の共同実験
~3000 人の研究者（内 大学院生約1200人）
女性
男性
14
ATLAS日本グループ
約110名の研究者・院生：16研究機関：高エネルギー加速器研究機構、筑波大学、
東京大学、東京工業大学、首都大学東京、早稲田大学、信州大学、名古屋大学、京
都大学、京都教育大学、大阪大学、神戸大学、岡山大学、広島工業大学、 長崎総
合科学大学、九州大学
15
ATLAS 測定器
大きさ ：~25x25x44m
重さ：7000 ton
⇒ density 0.3g/cm3
16
測定器設置
2003年から 2008年
Sep
2007
•すべてのパーツは直径12mと
18mの2つのシャフトから搬入
•一番重いものは 280 t
2006
Aug.
2003
Jun
2007
2009年実験開始
Dec.
2004
Dec
2005
17
ヒッグス粒子は？
First Higgs in ATLAS (4/Apr/2008)
18
ヒッグス粒子は？
ヒッグス粒子は？
１１００兆回の衝突を起こし、ヒッグス粒
子が4つの粒子にこわれたと思われる粒子
を約10個検出した
ヒッグス粒子はいろいろな粒子に崩壊する。
ちゃんと別な崩壊モードでも同じところにピークがある！
ヒッグス粒子は？
→
かなりヒックスらしい新粒子を新発見！
１１００兆回の衝突を起こし、
ヒッグス粒子が、2つの光子にこわれたと
見られる粒子を約５００個検出した
21
2012年7月4日CERNでのセミナー
で報告
20世紀後半：標準理論の確立
• 物質は3世代6種類のクォークと6種類のレプトンからできている。
すべてフェルミ粒子
（でもどうして3世代あるかは謎！）
• ４つの力があるが、重力を除いてすべて同じ仕組みの力（ゲージ相
互作用）である。 力を媒介する粒子はボース粒子
• 本来すべての粒子は質量をもたなかったが、ヒッグス機構で質量を
もった。
この理論ではヒッグス粒子があるはず
→今回見つけた新粒子がそれ
らしい
→でもこの理論そのままの
ヒッグス粒子かはちゃんと
調べなければいけない。
→何年もかかる仕事
今回発見か？？