ILC - 九州大学 素粒子実験研究室

素粒子物理・原子核物理分野の「大型施設計画・大規模研究
計画に関するマスタープラン」に関するシンポジウム
ILC計画
2016年2月12日＠日本学術会議講堂
九州大学 理学研究院・先端素粒子物理研究センター
川越 清以
©Rey.Hori/KEK
1
International Linear Collider
国際リニアコライダー
e+e−衝突エネルギーフロンティア
250-500 GeV & 1 TeV Upgrade
器
加速
形
主線
グ
リン
グ
ピン
ン
ダ
電子源
速器
主
加
線形
ーム
電子ビ
陽電子源
1km
3
長
全
l 構造を持たない素粒子とその反粒子の対消滅
l 線形加速器➡エネルギーの拡張性
l ビームエネルギー・偏極度をコントロール
2
最高エネルギーのコライダー
LHC: ハドロンコライダー
p
p
多くの反応が同時に起こる
パートンの衝突エネルギーが不明
Center-of-mass energy: 7-14 TeV
ILC: レプトンコライダー
e+
e−
わかりやすい反応
正味の衝突エネルギーが既知
Center-of-mass energy: 250-1000 GeV
どちらも必要。相乗効果で自然を解明
ー
•  W/Zの発見(SppS)⇒精密測定(LEP)
•  Top質量の予測(LEP)⇒発見(Tevatron)
•  ヒッグス予測(LEPなど）⇒発見（LHC)
•  ヒッグス、Top測定（LHC)⇒超精密測定(ILC)
•  BSM発見（LHC)？？⇒精密測定(ILC)
•  LHCで発見しづらい新粒子をILCで発見
3
素粒子物理は新たな革命の時代へ
2013年シンポジウムのスライドから
ヒッグスの発見で素粒子の標準模型は一応の完成。
しかし、標準模型を超える新物理は必ずある。
è新物理を発見、解明することがILCの使命
4
ILCが圧倒的に優れているところ
ビーム
エネルギーと偏極度を
コントロールできる
Pelectron = ±80%
Ppositron = ±30%
e−
反応の素過程
LEPで十分理解されている
理論の不定性 <1%
検出・測定
低バックグラウンド
超細分化されたセンサー
データは全部とる
粒子の生成
Recoil info
γ/Z/Z’ …
ヒッグス
トップクォーク
新粒子、たとえば
ダークマター
e+
などの可能性
質量、スピン/CP, 結合定数などの決定
新しい物理と新しい基本原理の発見
5
ILCでのヒッグス粒子精密測定（３段ロケット）
Chapter 2. Higgs Boson
Step1: 質量, 生成断面積σ（ZH）, 崩壊分岐比 @ 250 GeV
-
P(e , e+)=(-0.8, 0.3), M =125 GeV
e+
e+
⌫¯
Z
W+
Z⇤
h
SM all f f h
Zh
300
WW fusion
ZZ fusion
200
H
W
H
e
Cross section (fb)
Step2: WW fusion を用いた全崩壊幅測定 @ 500 GeV
400
100
e
Higgs-strahlung
peaks around 250 GeV
⌫
WW fusion
dominates at high energies
0
200 250 300 350 400 450 500
s (GeV)
Step3: ヒッグス自己結合@ 500-1000 GeV
e+
e+
⌫¯
Z
Z
⇤
W
H
e
H
H
W+
H
e
Figure 2.4.7: Production cross section for the e+ e ! Zh process as
center of mass energy for mh = 125 GeV, plotted together with those for
fusion processes: e+ e ! ⌫⌫H and e+ e ! e+ e H.
H
⌫
experimental uncertainties due to bremsstrahlung. It should be not
capability to precisely reconstruct the recoil mass distribution from
H defines the momentum resolution requirement for an ILC detector.
The reconstructed recoil mass distributions, calculated assumin
p
duced with four-momentum ( s, 0), are shown in Fig.2.4.8. In the
FSR and bremsstrahlung photons are identified and used in the c
+
6
ヒッグス粒子精密測定で新物理に迫る
ヒッグス粒子: 素粒子か、複合粒子か？
Supersymmetry
Composite Higgs
15 %
(MCHM5)
MSSM (tanβ = 5, MA = 700 GeV)
t
b
τ
c
Z
Higgs Coupling Deviation from SM
Higgs Coupling Deviation from SM
(MSSM)
W
10 %
ダウン型フェルミオンが上ズレ
5%
0%
-5 %
-10 %
15 %
t
b
τ
c
Z
W
10 %
5%
0%
-5 %
全体が下にズレる
-10 %
ILC Projection [Ref. arXiv:1310.0763]
-1
-15 %
MCHM5 (f = 1.5 TeV)
ILC Projection [Ref. arXiv:1310.0763]
-1
250 GeV, 1150 fb ⊕ 500 GeV, 1600 fb
-15 %
250 GeV, 1150 fb-1 ⊕ 500 GeV, 1600 fb-1
ILC 250+500 LumiUp
•  標準理論を超える効果が≦1%でわかる
•  ズレのパターンによって新物理のモデルを識別可能
7
Higgs 自己結合
電弱対称性の破れの解明　ヒッグスポテンシャルの形状
電弱エネルギースケールでの宇宙のバリオン生成に関与　h
h
λ
λ
h
h
four-point coupling
ヒッグス粒子が終状態に２個
1. 
2. 
h
v
断面積は小さい
O(100) events 干渉するダイアグラムのた
めに感度が下がる
h
h
干渉するダイアグラム
hhh coupling
W,Z
W,Z
H
H
(VVH coupling)2
λの測定　O(10)%
H
現在詳細研究中　VVHH coupling
8
トップクォークの精密測定
(1) 質量(MS)精密測定 エネルギースキャン 真空の安定性
(2) ビーム偏極と4 運動量保存 left/right-handed couplings.
Deviation in ttZ coupling ΔMt(1s)=50MeV
ΔMH=30MeV
SM/SUSY
LHC
ILC
ILC 3σ
SM/SUSY
LHC, Ref. arXiv:1311.2028
ILC, Ref. arXiv:1307.8102
複合ヒッグス模型の識別
9
新粒子：暗黒物質探索 @ ILC
• 
ヒッグス粒子が暗黒物質に崩壊
–  mDM < 0.5mHの場合に探索可能
–  Br(H→inv.)<0.4% (@250GeV, 1150fb-1)
ISR photonによる探索（mono-photon events)
–  モデルに依存しない探索
–  mDM < 0.5(ECM−Eγ) の領域まで探索可能
Events / 2 [GeV]
• 
1600
1400
1200
ILD Simulation
s = 250
GeV
pol(e ,e+) = (+0.8,-0.3)
250 fb-1
1000
ZZ
WW
Z
eW
H
qqH
qqH,H 4
H invisible BF 10%
800
600
400
200
0
100
110
120
130
140
150
160
Recoil Mass [GeV]
Higgs invisible decay
Mono-photon events
10
軽い超対称性粒子の探索 LSP
Bino-like
M1　<　M2,　µ
Wino-like
M2　<　M1,　µ
Higgsino-like µ　<　M1,　M2
Bino-like
(M1, M2, µ, tanβ) point
is randomly chosen
0.05<M1,M2,µ<2 TeV,
1<tanβ<70
Wino-like
ISRphoton+soFparGcles
Higgsino-like
Higgsino like
ＮＬＳＰとＬＳＰの質量差がない場合が重要。
ILCはその場合でも探索可能
11
ILC加速器概要(TDR)
減衰リング
電子源
陽電子・主線形加速器
物理実験・粒子検出器
パラメータ�
陽電子源
重心エネルギー�
電子・主線形加速器
全長�
鍵を握る技術
few GeV
pre-accelerator
ビーム輝度�
source
KeV
damping
ring
few GeV
ナノビーム技術
超伝導高周波加速技術
few GeV
250-500 GeV
bunch
compressor
main linac
final focus
IP
collimation
extraction
& dump
数値�
500GeV�
31km�
1.8x1034cm-2s-1�
繰り返し周波数�
5Hz�
ビームパルス長�
0.73ms�
平均電流�
衝突点ビームサイズ�
超伝導加速電界
共振特性�
5.8mA(inpulse)�
5.9nm�
31.5MV/m
Q0=1x1010�
12
技術設計書完成後（前シンポジウム後）の技術進展 • 
ナノビーム技術： KEK-ATF2:ビーム最終収束で、44nmを達成（目標は37nm）
‒  ILCのエネルギー(250GeV)では、7nmの達成に相当（設計値は6nm）
• 
超伝導高周波(SRF)技術 ：
EuropeanXFEL:
‒  SRF空洞（~100%）製造・試験を完了(2015.12)。加速電界（平均）、30MV/mに迫る。
‒  クライオモジュール（8台連結ユニット）の>70%を完了。性能安定性、成熟
Fermilab：
‒  クライオモジュール性能、ILC仕様値を達成:　平均電界>31.5MV/m
KEK:
‒  超伝導RF試験施設での加速空洞モジュール試験、ビーム加速試験（2016年度目標）
‒  ８空洞連結クライオモジュールで、平均電界 >31.5MV/mでのビーム加速を目指す。
• 
ILC加速器設計
LCC:　性能・コスト最適化　（MEXT-ILC有識者会議での議論を迅速に反映）
‒ 
‒ 
衝突点実験ホールへのアクセス方法à 立て坑
メインライナック・トンネルを、1.5km延長。設計エネルギー到達信頼性の向上
13
KEK-ATFによるナノビーム技術の検証
ATF(Acc.TestFacility):ILCと同じビーム光学設計による技術検証
目標 ビームサイズ： 5.9nmat250GeV(ILC)à37nmat1.3GeV(ATF)に相当
技術進展：　~300nm(in2010)à~150nm(in2012)à≤44nm(in2014)実現 ILC
ATF2
BeamEnergy[GeV]
250
1.3
L*(IPtoFF)[m]
4.0
1.0
β*[mm]
0.48
0.1
Emibance(v)[pm]
0.07
12
FFBeamSize[nm]
5.9
37
few GeV
pre-accelerator
source
KeV
damping
ring
few GeV
few GeV
bunch
compressor
250-500 GeV
main linac
final focus
extraction
& dump
IP
collimation
ILCでのビーム収束光学をATFで検証
14
Media.xfel.au, Dec. 2015
Recent Progress with EU-XFEL
欧州自由電子レーザ 施設の建設 (17.5 GeV)
Acc. : ~ 1/10 scale to ILC-ML’s
SRF system: ~ 1/20 to ILC SRF’s
15
1.3 GHz / 23.6 MV/m
808 SRF acc. Cavities
101 Cryo-Modules (CM)
進捗:
2013: 建設開始
2015: SRF空洞(100%) 完成
XFEL
CM (70%) 進捗
計画:
2016: E-XFEL 加速器完成
2017: 自由電子レーザ実験開始
DESY
1 km SRF Linac XFEL site
17th International Conference on RF Superconductivity
Detlef Reschke, DESY
DESY
E-XFEL:電界性能　（初回試験）
D.Reschke/SRF2015
SRF 空洞製造・試験状況；　空洞台数, 738 台 (2015/9現在)
•  製造企業： RI and EZ (1/2 each)
•  性能評価試験：DESY
RI: “電解研磨”によって、最終表面処理
(ILC-SRF と同様の処理)
EZ: 化学研磨で最終表面処理　(コスト抑制）
ノート：
• 
• 
最高到達・電界
RI
<G>MV/m 33
EZ
C
29.6
Yieldat
28MV/m
73%
86%
“電解研磨”が、~10% 高い性能を示す。
初回、低い性能を示した空洞を”超純水リンス処理
“を行うことで、性能改善（性能が低い空洞に有効）。
利用可能・電界(Q0>1010)
(ILC-要求)
EZ
C
31.4
RI
29.4
26.3
27.7
---
(35)
79%
66%
44%
54%
(90)
16
KEK-STF: SRF空洞・クライオモジュール性能
ビーム加速 àJFY2016 (目標)
SRF空洞単体・CM組み込み後の電界性能
Module
Cav.#
空洞単体
[MV/m]
CM1a
1
2
3
CM1b
4
5 6
7
CM2a
8
9 10 11 12
37 36 38 36 37 35 39 36 12 36 32 32
FY14:CM1+CM2a(8+4)組立
FY15:CM内での空洞単体性能評価
RF分配システム整備
FY16:8空洞でのCM性能試験
ビーム加速 （目標>250MeV)
CM内
(pulse) 39 37 35 36 26 16 26 32 18 34 33 32
[MV/m]
Gradientstable
Degraded
Gradientstable
*12空洞・平均電界：>31MV/m
上位8空洞で：　34.8MV/m
17
TDR以降の設計の進展と設計改訂の統括
目的：
性能目標を保ちつつ、更なる確度・信頼性の向上、コスト効果の高い設計
プロセス： 設計変更プロセスの厳密に管理àChangeManagementBoard(CMB)
学術会議、ILC有識者会議での議論、指摘に迅速に対応 課題　ノート
決定
CR-002 最終ビーム収束パラメータの共通化、L*(4.1m)
信頼性向上
採択
CR-003 ビーム衝突点実験ホールへの竪坑アクセス
加速器・測定器の建設効率化、採択
CR-004 主ライナック・トンネル長、1.5km延伸 500GeV、到達信頼性向上
採択
CR-005 ILC加速器パラメータのアップデート
加速器設計値の確度向上
採択
CR-006 最終収束磁石近辺にビーム位置モニター
採択
CR-007 日本の山岳地域を前提とした設計
TDRオプションの選択・統一
CR-008 ビームオプティクス2015の確定 採択
採択
CR-TBD 主ライナックトンネル中央壁の最適化 、安全指針 ビーム加速中のアクセス無し
安全性徹底　審議中
CR-TBD 冷却システムのレイアウト最適化、安全指針
安全性徹底
審議中
変更プロセス・管理(CMB)
提案à
評価à
決定à
具体化
18
ILC測定器（ILDとSiD）
先進的なテクノロジーの高精細センサーを搭載
•  崩壊点検出器：高精細&低物質量pixel検出器
•  飛跡検出器(TPC)：高分解能&低物質量、
MPGD読み出し
•  カロリメータ：超高精細センサー、5mm角
(ECAL)、3cm角(HCAL)
検出器
センサーサイズ
ILC
ATLAS
精細度比
崩壊点検出器
5×5 mm2
400×50 mm2
800倍
飛跡検出器
1×6 mm2
13 mm2
2.2倍
電磁カロリーメータ
シリコン 5×5 mm2
39×39 mm2
61倍
Return Yoke
HCAL
Coil
ECAL
TPC
Forward
components
ETD
Beam line
SET
VTX
SIT
FTD
~15 m
高精細検出器を束ねるParticle Flow Algorithm
カロリメータ中で各粒子のヒットを分離し、最も良い分解
能を持つ検出器で粒子のエネルギー測定をする事により
Jet Energy Resolution 最小化する
(荷電粒子àTracker、光子àECAL、中性ハドロンàHCAL)
技術選択à 工学設計à建設à実験開始
19
ILCTimeLine:ILC実現への時間軸
真のグローバルプロジェクトとして国際的に推進
(Pre-PreparaGon)and
PreparaGonPhase
Assuming(2+)4year　Wearehere,2016
20
ILCの国際的な位置付け（設計から実現へ）
ILC に対するサポートはヨーロッパ、アジア、米国での戦略においてお墨付きを得ている
加速器技術が成熟しているのはＩＬＣのみ、Circular Collider に関しては
LHCよりも高いエネルギーの陽子・陽子衝突の国際的な研究を奨励。
FCCの予算は概算も公開されていないが、ＩＬＣの何倍かであろう。　余程の技術革
新がない限り、ＣＥＲＮがいくら頑張ってもFCCの国際的予算獲得は容易でない。
21
研究者による国際推進体制
Japan Productivity Center Consulting Dept.
2013年2月21日 リニアコライダー・コラボレーション（ＬＣＣ）発足
国際将来加速器委員会（ＩＣＦＡ）
世界の大研究所の所長／研究コミュニティの代表者
Linear Collider Board （ＬＣＢ）
議長　駒宮幸男（東京大学）
ＬＣＣ
Linear Collider Directorate （ＬＣＤ）
ディレクター　リン・エバンス
（CERN／LHCの元加速器責任者）
副ディレクター 村山　斉
（東京大学Kavli-IPMU機構長）
ＣＬＩＣ　ＩＬＣの次世代
の加速器（R&Dの推進）
スタイナー・スタプネス
ＩＬＣ
本設計　マイク・ハリソン
Physics & Detectors
物理・測定器 山本均
※日本の中核研究機関：高エネルギー加速器研究機構（機構長：鈴木⇨山内）
22
23
文部科学省によるILCの検討
日本学術会議
答申
(2013)
文部科学省
ILCタスクフォース
(2013年設立）
委託調査
（野村総研）
(2014,2015)
国際リニアコライダー(ILC)に関する
有識者会議 （2014〜）
波及効果＋
世界の情勢、
技術的実現可能性
素粒子原子核
物理作業部会
（2014〜）
技術設計報告書
(TDR)検証作業部会
（2014〜）
人材の確保・育成
方策検討作業部会
（2015〜）
24
有識者会議の中間とりまとめ
2015年８月に日本語版・英語版を公表。以下は、３つの提言
25
（2016.01.07LC計画推進委員会、山内KEK機構長）
26
まとめ
•  ILC は真にグローバルなプロジェクトであり、国際的に推進されている。
•  ILC は (HL-)LHC に対し相補的・相乗的なプロジェクト –  エネルギー拡張可能, ビーム偏極, エネルギースキャンが強力な手段 •  ＩＬＣでは、バックグラウンドの低いクリーンな実験環境において、
ヒッグスボゾンとトップクォークの詳細研究、 新粒子の探索を通じて、
標準理論を超える物理の発見が期待されている。 •  ILCの加速器技術は成熟しており、建設できる。
–  i.e. 超伝導・高加速勾配RF, 最終収束系 •  日本では調査検討予算が措置され、ホストとなるための公式な検討を
文科省が行っている。 これを成功させるためには、国外においても政府
・関係省庁においてＩＬＣがpositiveに認知されることが必要。 •  日本では、ＩＬＣ国際研究所建設のための超党派国会議員連盟、先端
加速器科学技術推進協議会（産業界）、地方自治体がサポート
27