Higgs 粒子発見！ CERN

Higgs 粒子発見！
LHCで物質の起源を探る
巨大加速器
(Large Hadron Collider)
大型ハドロン衝突型加速器
ジュネーブ郊外
スイス・フランスの国境
またがる国際研究所
ＣＥＲＮ
LHCｂ
ATLAS
CMS
ALICE
に作られた
7兆電子ﾎﾞﾙﾄ（7 TeV）
の陽子同士を衝突させる
加速器
ＴｅＶ： テラ電子ボルト
： 1兆電子ボルト
周長27km
高エネルギー加速器研究機構
徳宿 克夫
ジュネーブ郊外
スイス・フランスの国境
またがる国際研究所
ＣＥＲＮ
LHCｂ
ATLAS
CMS
ALICE
に作られた
7兆電子ﾎﾞﾙﾄ（7 TeV）
の陽子同士を衝突させる
加速器
ＴｅＶ： テラ電子ボルト
： 1兆電子ボルト
周長27km
高エネルギー加速器研究機構
徳宿 克夫
今日の話の骨子
•進路選択時に大切だと思われること
•社会に出てから大切だと思われること
•現在のご職業について日頃感じてること
•（仕事の内容，困難さ，楽しさ等，具体的な事柄
について）
•高校時代や大学時代の過ごし方（社会に出る前
に身に付けておくべきこと）
•その他
今日の話の骨子
•標準模型？ ヒッグス粒子って？
•どうやってヒッグス粒子を見つけるのか
（LHCとATLAS)
•これからどうなる！ （将来計画）
•高校からのお題への答え。。。
2013
R.ブラウト, F. アングレール, P.ヒッグス
ヒッグスメカニズムの提案（1964)
スカラー場の自発的対称性の破れにより、力を媒
介する粒子が質量を持つことができる。
2014年ノーベル物理学賞
•青色発光ダイオード（LED)：
「全人類の生活に貢献」
(昨日の読売新聞）
赤崎さん
天野さん
中村さん
2012年ノーベル生理学・医学賞
• 成熟した細胞に対してリプログラミングによ
り多能性（分化万能性）を持たせられることの
発見
（iPS細胞）：
山中さん
ガードンさん
ヒッグス粒子？？
•何の役に立つの？
•どうしてそんなもの見つけようとするの？
まず長さのスケールから：宇宙へ
1m
10 m
1000m=103m =1km
106m =1,000km
=Mm
(メガメートル）
http://microcosm.web.cern.ch/microcosm/P10/english/P0.html
まず長さのスケールから：宇宙へ
107m =10,000km
108m =100,000km
109m =1,000,000km
=1 ギガメートル
まず長さのスケールから：宇宙へ
109m =1,000,000km = 1 ギガメートル
1012m =1,000,000,000km = 1 テラメートル
1020m =100,000,000,000,000,000km
1021m =1,000,000,000,000,000,000km
1022m
1026m =100 テラテラメートル
どうして銀河がこの
ような
「まだら模様」に
なっているのか？
この（長さ）スケールを、
LHCのテラ（エネルギー）スケールで探る
→宇宙の始まり方と
の関係
ミクロの世界がどうして宇宙と関係するのか
どうして現在の宇宙があるかは、最初の高
温の時に何があったかで決まってくる。
http://microcosm.web.cern.ch/microcosm/P10/english/P0.html
1 メートル
ミクロの世界へ
0,1 m
0,01 m = 1 cm
0,001 m = 1 mm =10-3 m
0,000001 m =
10-6 m
http://microcosm.web.cern.ch/microcosm/P10/english/P0.html
0,000001 m =
ミクロの世界へ
10-6 m (μm)
DNA：10-9 m
(nm
ナノメートル)
炭素原子： 10-12 m
(pm)
陽子: 10-15 m (fm)
どうやってより小さいものを見るか？
⇒高いエネルギーの粒子をあてて
その散乱を見る。 ー> 加速器
分解能～（波長）-1
 1/(衝突エネルギー）
http://microcosm.web.cern.ch/microcosm/P10/english/P0.html
散乱を通して物質の内部構造を探ると言うこと
?
?
角分布
120
100
散乱強度
80
60
系列1
40
20
0
0
50
100
散乱角度（度）
150
?
散乱を通して物質の内部構造を探ると言うこと
?
巨大加速器：小さな領域を見る「顕微鏡」
加速器の進歩によって、より
高エネルギーの散乱実験への
道が開け、より小さな基本構
造を探ることが可能となった
結果、自然界の階層構造を順
次明らかにした。
nuclei
原子核
proton
陽子
クォーク
分解能のよさ
（fm） フェムトメートル 10－15ｍ
分解能～（波長）-1  h/q
LHCでは陽子の数万分の1の大
きさを探る
LHC
LHC：テラ電子ボルトの陽子
を加速してぶつけることに
よってミクロの世界と宇宙の
大構造の謎とを同時に探る。
世界は何でできているか？
ミクロの世界から探る
原子（atom)が基本粒子?
でも様々な100種類ぐらいの原子の発見
電子の発見 トムソン （1897年）
原子核の発見 ラザフォード（1911年）
•陽子の発見 ラザフォード （1913年）
•中性子の発見 チャドウィック（1932年）
電子・陽子・中性子が基本粒子?
ところがその後、様々な100個以上の
「素粒子」（ハドロン）が見つかった
クォークの発見
中性子
陽子
u
u
u
d
d
ゲルマン、ネーマン（1961年）
d
世界はクォークと電子でできている？
世界は何でできているか？
ミクロの世界から探る
原子（atom)が基本粒子?
でも様々な100種類ぐらいの原子の発見
電子の発見 トムソン （1897年）
原子核の発見 ラザフォード（1911年）
•陽子の発見 ラザフォード （1913年）
•中性子の発見 チャドウィック（1932年）
電子・陽子・中性子が基本粒子?
どうしてそう思ったのだろうか？
－＞ どんな原子からも電子が飛び出てくる。
－＞ どんな原子も陽子の整数倍の電荷を持っ
ている。
などなど。
A（原子）からB（電子）が出てくれば、Aは
Bからできていると考えていいか？
世界は何でできているか？
ミクロの世界から探る
中性子は
る。
陽子と電子（と反ニュートリノ）に崩壊す
それじゃ、中性子は陽子と電子（と反ニュートリノ）
でできているんじゃないの？
－＞ いろいろな矛盾： どう考えるか？
全く別な考え方：
陽子と中性子は実はもともと同じもの。“力”が働
けばお互いに移れる。同様にニュートリノと電子もお
んなじもの、その力でお互いに移れる。
粒子がどう動くか
m
×
a=F
質量 × 加速度 ＝ 力
高校で出てくる
運動方程式
１７世紀 ニュートン等により確立
すばらしい考え：
•
ものが何でできていようと、何色であろうと関係
なく「質量」できまる。
•
力も棒で推そうが、綱で引っ張ろうが変わらない
（20世紀で相対論・量子論が出て修正は入るが基本的には今
も正しい）
でも、今の物理学者はもっと欲張り、
「力があったらどう動くか」、じゃなくて、「どういう力がどう
してでてくるか」を知りたい。
力はどう伝わるのか？
p
p
力を媒介する粒子がいる
p
γ
p
電磁力を運ぶ：
光子 （Photon）
力を媒介する粒子がいる
ν
e
W+
n
p
力を媒介する粒子がいる
ν
e
W+
n
p
力を媒介する粒子がいる
e
e
e
ν
γ
p
W
p
n
p
力を媒介する粒子がいる
e
W
u
d
レプトン クォーク
ν
電荷
+2/3
u
-1/3
d
0
νe
-1
e
世界は何でできているか？
ミクロの世界から探る
レプトン クォーク
電荷
+2/3
u
-1/3
d
0
νe
-1
e
世界は何でできているか？
ミクロの世界から探る
世界は
6種類のクォークと
6種類のレプトン
でできている。
レプトン クォーク
電荷
+2/3
u
c
t
-1/3
d
s
b
0
νe
νµ
ντ
-1
e
μ
τ
20世紀に確立した
素粒子の標準理論
の柱
自然界には4つの力がある。
0が37個
重力
強さ＝0.000 … 000 01
弱い力
強さ＝0.000 000 01
電磁気力 強さ＝1
強い力
強さ=20
4つの力の媒介粒子
強さは（見かけ上）大きく違うが、力を媒介する方
グラビトン （重力子）
gr
法は（重力を除いて）みんな同じ。
•
重力
弱い力が弱いのはWZが重いので遠くまで力を届けられない。
弱い力
電磁気力
強い力
W+
γ
Z
W-
フォトン
（光子）
グルーオン
g g g g
g g g g
もともとW粒子も質量をもたず光速で飛
び回っていた。
電磁力と弱い力は同じぐらいの強さ
γγ
W
W+
温度が低くなると、ヒッグス場とぶつ
かって遅くなり光速で飛べなくなる
－＞質量の起源
γ
γ
x
W+
W
x
x
ヒッグス粒子
が出現：未発見
x
x
H
ヒッグス場
クォークやレプトンもヒッグス場と作
用して質量をもつ。そしてヒッグス自
身も
－＞質量の起源
γ
γ
e
x
e
x
W+
W
t
t
x
x
x
ヒッグス粒子
が出現：未発見
x
x
x x
x x x
x
H
ヒッグス場
元は光速なのに遅くなる？
ガリレオの（仮想）実験
実際はそうではない。
なぜ？
→ 空気抵抗
同じように、いろんな力の
強さが変わって現在の多様な
宇宙ができたのは、環境（ヒッ
グス）のせい。
遅くなる→質量の起源？？？
m
×
a=F
質量 × 加速度 ＝ 力
高校で出てくる
運動方程式
質量が小さければ、ちょっとの力で大きな加速度：
→ あっという間にスピードが上がる。止まらない。
光速は超えられない（相対論）
→ 質量０なら光速で飛び回る。
ひっくり返して言えば、止まれるということは質量があること。
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。
（でもどうして6種類あるかは謎！）
• 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。力を通してクォークやレプトンはそれぞれ別なク
ォークやレプトンに移り変われる。
• 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。
→ 粒子も力もそれぞれみんなもともとは同じようなもの。
環境（ヒッグス場）で変わって見える。
→ ガリレオの実験との類似
この理論ではヒッグス粒子が
あるはずだがまだ見つかって
いなかった。
ー＞ LHC
今回発見か？？
LHC (Large Hadron Collider)
2010 年から本格運転
陽子と陽子の衝突
周長
27km
アトラス実験
CMS実験
巨大加速器で
質量の起源：ヒッグス粒子の発見
を目指す。
世界の巨大な加速器
大強度陽子
電子と陽子の衝突
ドイツ
DESY研究所
周長6km
東海村
米国 シカゴ
フェルミ研究所
J-PARC
周長6km
日本
陽子と反陽子の衝突
電子と陽電子の衝突
KEK
周長3km
LHC (Large Hadron Collider)
2010 年から本格運転
陽子と陽子の衝突
周長
27km
アトラス実験
CMS実験
質量の起源：ヒッグス粒子の発見
宇宙の起源：暗黒物質の発見
LHC とアトラス実験
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
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
超伝導ソレノイド電磁石
43m
内部飛跡検出器
超伝導トロイド電磁石
（エンドキャップ用）
カロリメーター
赤は日本の分担部を示す
国際共同実験装置
４つの実験装置の場所が黄色丸で示してある。
アトラス（ATLAS）とCMS
（ヒッグス・超対称性粒子などの探索）、
アリス(ALICE,重イオン衝突物理）、
LHCb（B物理）など。
・日本グループはアトラス実験に計画当初から参加している。
高エネ研(KEK)・東京大・神戸大など16機関からの研究者・
大学院生が約１１０名。アリス実験には広島大・東京大・筑波
大が参加している。
アトラス測定器
Belle: ~10m
45
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）
46
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
47
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
48
ATLAS 測定器
大きさ ：~25x25x44m
重さ：7000 ton
⇒ density 0.3g/cm3
1/11/2007
49
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
Jun
2007
2006
Aug.
2003
1/11/2007
Dec.
2004
Dec
2005
50
ヒッグス粒子は？
First Higgs in ATLAS (4/Apr/2008)
51
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
52
観測されたヒッグス粒子の崩壊
γ
H
μ
H
γ
Z
Z
μ
μ
μ
4μ candidate with m4μ= 125.1 GeV
pT (muons)= 36.1, 47.5, 26.4, 71 .7GeV m12= 86.3 GeV, m34= 31.6 GeV
15 reconstructed vertices
54
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！
2つの光子に
崩壊する場
合
１１００兆回の衝突を起こし、ヒッグス粒
子と見られる粒子を約５００個検出した
4つのレプト
ンに崩壊す
る場合
55
2012年7月4日CERNでのセミナー
で報告
ヒッグス粒子は？
57
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。
（でもどうして6種類あるかは謎！）
• 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。力を通してクォークやレプトンはそれぞれ別なク
ォークやレプトンに移り変われる。
• 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。
→ 粒子も力もそれぞれみんなもともとは同じようなもの。
環境（ヒッグス場）で変わって見える。
→ ガリレオの実験との類似
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うか？
→多分。でもちゃんと
調べなければいけない。
→何年もかかる仕事
でもそれだけではない！
もっと何か出ることを期待している
今回発見か？？
神の方程式？(by NHK)
m
×
a=F
ニュートンの方程式の方が
ずっときれい！
ヒッグスはひとりぼっち？
今回発見か？？
宇宙の巨大構造
すばる望遠鏡（ハワイ）＋ハッブル望遠鏡（宇宙）
などのデータの総合結果
世界は何でできているか？
What
the Universe is made of
マクロの世界から探る
ニュートリノ
暗い物質
星
暗黒物質
Dunkle Energie
Dunkle Materie
暗黒エネルギー
Baryonen
Neutrinos
Sterne
私たちの知っている物質は宇宙全体のエネルギーのわずか4％
残りは、物質とあまり反応しない暗黒物質（Dark Matter)
と もっと得体のしれない暗黒エネルギー
Albrecht Wagner,
Tokyo, 29.11.05
62
宇宙に暗黒物質がある「証拠」
宇宙に暗黒物質がある「証拠」
この世は暗黒エネルギー・暗黒物質
で支配されているようである。
-> 正体は何か？
ダークマターの仲間の粒子がたく
さんいると考えられる。
様々な研究の方法
自分で作ってしまえ！
LHC計画
さらに詳しく宇宙を観測
してみよう
宇宙にあるなら地球にも
飛んできているはず。飛ん
でくるのを検出しよう
宇宙観測で予測される暗黒物質の量と、地上で観測される量がつじつまが合って、
かつＬＨＣで作られた新粒子の質量と反応強度が合えば、 －＞ 科学の勝利！
まとめ
• 20世紀末には「標準理論」と呼ばれる理論が確立し実
験データを非常によく再現している。
• しかし、その理論の根幹となる「質量の起源」の理論
が正しいということを言うためにはヒッグス粒子がないと
いけない。 →今回LHCで見つけることができた。でも
ヒッグス粒子は本当に１つなのか？そもそもどこからでて
きたのか？など謎はさらに深まっている。
• また、物理学者は「標準理論」だけでは、物事がおさ
まらないとも思っている。（暗黒物質）
• LHCでの実験が始まり、その問題点の答えが見つかる
か、あるいはそれがいま思っているより大問題であるかが
わかる。ここ数年が転機
そして、そのあとはもっと大きな加速器が引き継ぐ？
CERNの夢の計画 2030年以降
80-100kmの加速器
新しい計画 リニアコライダー
加速器の原理
++
陽子の電荷: 1.6 x 10-19 C
1eV = 1 x 1.6x 10-19 J
乾電池(1.5V) 1個で陽子を
加速する。
→ 運動エネルギー 1.5eV
5cm
乾電池(1.5V) 2個で陽子を
加速する。
→ 運動エネルギー 3eV
LHC 加速器
陽子のエネルギー=7TeV
= 7,000,000,000,000 eV
= 4.7兆個の電池
= 高さ2300億m
4.7 テラ個！の電池
0.23 Tm (テラメートル！）
加速器の原理
電池を1兆個積み上げるより、
同じところを1兆回まわしてあげれば
よい
ー＞ 加速器が丸い理由
++
磁場をかけておけば
粒子は曲がる（円運動する）
もう一つの方向
強い電池を作ろう。
リニアコライダー用の高周波加速空洞
→長さ1m で 30ＭＶ ： 乾電池2千万個分
なぜ、リニアコライダー?
LHC の陽子ビームエネルギー
同じトンネルで電子を加速すると
（LEP 加速器）
7TeV
（= 7 x 109 eV)
0.1TeVまでしか行かなかった
～１TeVの電子加速器を円形加速器で作るのは非現実的
電子
その周りには光の雲の
ようなものがある
出す光の量は、電子のエネルギーEが大きくなると
急激に大きくなる。
1周する間に光を出して損する分のエネルギー ∝ E4/R
＝ 1周の間に加速するエネルギー
で最大到達エネルギーが決まる。
27kmのトンネル（LHC)では、電子は100GeVが限界。
1000GeV＝１TeV いくためには、
周長 27km x 104 = 270000km
＝＞ 直径90000キロ
(実際には長ければもっと加速する場所
を置けるので ～ 900km 程度
まっすぐに走らせれば、光でエネルギーを
失わないので得。
問題はいかに強い電場（高性能電池）を
つくるか？
もっと知りたい
• KEKのWebページを見てください。
– http://www.kek.jp
• 週替わりのトピックス、
• 子供向けのページ （キッズ サイエンス）
• KEKの一般公開においでください。
– 例年9月の第一日曜日
– つくばセンターから無料バスが出ています。
• 10人集まれば平日にKEK見学も可能
（展示室だけなら、予約なしでも見に来られます。土日もオープン）
何かやりたい
（コマーシャルのページ）
• KEKのBファクトリーで取ったデータを使った新粒子
探索に参加できます。 （B-lab)
• 数日間、高校生を対象としたプログラムがあります（
Belle Plus 8月（応募締切済）)
• 大学生は、夏にKEKと大学が共同して進めている、
10日間の夏の学校 （サマーチャレンジ）に参加でき
ます。（通常3年生対象）
• 大学院生になれば、CERNの夏の学校（2か月）に
応募できます。 （日本から5人）
• CERNには高校の先生のためのプログラムもありま
す。（一か月程度、 これまで佐賀県から3人）
何の役に立つの？
といわれると今はまだわからない。
なんか役に立ったかといわれると、たくさんの例を
あげられる。（インターネット、放射線治療、X線診
断、PET、マイクロエレクトロニクス、国際協力）
① 高校時代の夢(どんな人になろうと思っていた
のか)
高校ではアマチュア無線部（と映画研究会）に入ってい
ました。
いろんなことに興味がありました。
（電気工作、音楽、小説。。。 好みはどんどん変わっ
ていきます。）
② 科学者になろうと思ったきっかけは何か。
成り行きでずるずると、、、と言うのが本当の所だとおも
いますが、－でも何かを研究したいとはずっと思ってい
たような気がします。その対象はどんどんかわっていき
ましたが。
③ そのためにどんな努力をしたのか。
いろんな本は読みましたが、特にそのための努力とい
うのはありません。
これを達成すれば必ず何かができるというようなもの
は決してありません。
（それがあったら楽でしょうが。 でも、思いがけないことが起こるから
人生おもしろいのです。）
やはり、いろんな本（小説、漫画、科学の解説書、図
鑑、辞書..,）を読んで世界を拡げるのは大事だとおも
います。自分が何かに悩んでいる場合に、
–
何千年も前の人も同じように悩んでいたのだ
とか
－ はるかに複雑な問題を抱えている人もいるのだ
とかがわかると、少し客観的に自分を見ることができ
ます。
④ 高校時代や大学時代の過ごし方
高校では高校のことを！
高校の物理の先生にはお世話になりました。（今で
も時々お酒を飲みに行きます）
でも、高校の授業で印象に残っているのは、古文や
美術の先生です。そのときに教わったことは今でも
役に立っています。
－＞ 専門でないことをきちんと教わる最後の機会です