LCの物理 - KEK研究情報Web

LCの物理
京都大学基礎物理学研究所（→KEK 2006)
野尻美保子
なぜ「LCの物理」か？
•
技術的にトリビアルではない。
•
コストは一国で作れるレベルを超えている。(グローバル
ともいう。）
•
他にも競合する面白いサイエンスはある。
分野を超えて、国を超えて
「魅力的な」物理であるということが、はっきりしない
と実現しない。
過去の物理のstudy
• TESLA(2001)
• JLC1(1991)→ACFA report, GLC report
(2001)
• 2001 Snowmass → 2005 Snowmass
物理のターゲットは変わらないが、
想定する状況は変わる（時期、デザイン、何を売りにするか）
従って今回はSnowmass での議論をベースにする。
message from
Snowmass workshop
(“US view”)
• Physics First
• The cost ⇆ scientific results
• need discovery at LHC
Tevatron （2TeV)→LHC(14TeV) 2007 年
LHCを成功させて、さらに、LCがコストに見合った研究成果を出
せることを、業界以外に納得させることが必要。
“one must win partners” Staffin DOE
more about USA
EPP2010
•
under US National Academies
•
broad-based committee on particle physics
•
prioritized fifteen-year plan. (“risky but alternative is
worse”, Gilman)
•
Question on the physics case answered by HEPAP
subpanel. “Discovering the Quantum Universe: The role
of colliders”(Lykken Report)
•
とてもトップダウン。
物理の話
Lykken report
•
の３つの柱
Mysteries of the Terascale
(TeV スケールに新しい対称性・物理法則
があるか。）
• Einstein’s Telescope
（力の統一、Extra dimension)
•
Light on Dark Matter
（山口さん）
Mysteris of the
TERASCALE
•
テラスケール＝１TeV （テラエレクトロンボルト）
•
LHCは１TeVの物理を明らかにすることができる。
•
Higgs 粒子 LEP 輻射補正→質量は２５０GeV以下
階層性問題
輻射補正を考えると中間にとぶ素粒子が質量に寄与して発散を
引き起こす。素粒子はなぜ軽いか？
•
素粒子の質量＜＜プランクスケール
•
スピン 1/2 カイラル対称性
•
スピン1 ゲージ対称性
•
スピン０ ？ Π(q 2 ) ∝ q 2
なにか新しい原理とともに発見されるはず。
δm ∝ m
新しい原理
•
Supersymmery? ボソン⇆フェルミオン
•
global symmetry? グローバル対称性（Higgsは近
似的にゴールドストーンボゾン）
•
Extra dimension? ５次元のゲージ、あるいは一般座標普遍性
”新しい原理は新しい粒子を伴う”
Supersymmery
•
本質的に新しい対称性
•
ボソンとフェルミオンを結ぶ（違う質量次元をもつ
粒子を混ぜる）
•
coupling と質量を結ぶ。 •
質量の発散は、カップリングの発散と同じlog 発散
•
超対称粒子のループが発散を消す。
+
+
=
0 x Λ２
超対称性は素粒子倍増理論
クオーク u,d,c..（スピン1/2）
発見
ゲージ粒子
γ,W,Z（スピン１）
ヒッグス粒子
H（スピン０）
⇄
⇄
⇄
スカラークオーク
˜ c̃, ....
ũ, d,
ゲージーノ
γ̃, Z̃, W̃ , ....
ヒグシーノ
H̃1 , H̃2 , ....
未
発
見
SUSY →ストリング
と空間イメージ
SUSYは重力の量子論でも必要
ストリング理論１０次元→空間コンパクト化
各点ごとに６次元空間がある
ゲージ対称性は空間構造から。
新しい空間イメージ Dブレーン
プランクブレーン
TeV ブレーン
すべての物理量は
O(Mw)
重力だけが存在する
「バルク」
ds
2
−2k|y|b(x)
= e
µ ν
2
ηµν dx d − b(x) dy
2
LHCでの成功シナリオ I
ヒッグス探索
•
LHCの最初の一年分の
1-4 SM Higgs!"#$%
L=3
1$
ルミノシティで発見可
•
能
•
いくらかのチャネルで
観測可能
•
分岐比の比の観測。
O(10%)の物理
•
•
))
•
))
•
))
6Q
L=
MSSM, 複数のHiggs の
)*
研究
)
LCでできること
•
coupling の測定
•
Higgs であることを確立する。
•
他のスピン０粒子との混合 mh = 120 GeV
例 radion Randall Sundum 模型で、
５次元方向の「大きさ」の振動を表す粒子
ds2
= e−2k|y|b(x) ηµν dxµ dν − b(x)2 dy 2
r(x)
T rTµν
L = √
6ΛW
h
ACFA LC stud
LHCの成功シナリオII
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LHCで、レゾナンスが発見された場合
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BC
LHCでの成功シナリオ III
2-2 LHC@.!"
Supersymmetry
( g˜ g˜ , g˜ q˜ , q˜ q˜ )
m(
•
スカラークオークとグルイー
!
ノの生成と崩壊
•
•
•
m
!
g˜ : 2TeV
シグナル：pT miss。
m
!
ハードジェット・レプトン。
q˜ : 2TeV
!
MSUGRA の発見能力は高い !
g˜ :1TeV
q˜ :1TeV
!
2TeV程度。（現状500GeV )
!
!
質量測定 at best
O(10)% for LSP, O(1%) for squark
レプトン
レプトン
jllの不変質量分布
squark
ジェット
注意点
•
レプトンモードが多くないと精度が落ちる。
•
スカラークオークが軽くないと情報半減。
•
質量が重くなると急に生成断面積が小さくなって
統計的に危なくなる。
•
一定の崩壊パターンが特定のチャネルをしめること
を仮定。
標準模型のBGについてはまだまだ理解がたりない。
LCでは
- 'E6
1 , ÊÎ $ISCOVERINGTHESYMMETRYO
4HERATIOOFCOUPLINGSTRENG
SUPERPARTNERINTERACTIONSCO
2ATEANDANGULAR
DISTRIBUTIONOFSELECTRON
WITHAPRECISIONOFFROM
PROPERTIESOFTHESUPERSYMM
PRODUCTION
3UPERSYMMETRY
+INEMATICFITAND
THRESHOLDSCANS
2ATIOOF#OUPLING3TRENGTHS
ELECTRONATTHE),#4HEGAU
- COULDBESEPARATELYDETE
THEBLUEBANDFROMTHRESHO
3UPERSYMMETRYPREDICTSTHA
OFTHECOLOREDREGIONSSHOUL
ONE4HISISASTRINGENTTEST
SUPERSYMMETRY
•
coupling の測定: 「2次発散が消えていること」を確立。
•
COULD ACCURATELY MEASURE THEIR MAGNITUDE AND IN TURN 4HE,(#CANTAKETHElRSTSTEPIN
質量の精密測定。（LHCは絶対値を計ることが苦手）⇆ DETERMINETHESIZEOFTHEEXTRADIMENSIONS
SCENARIOBYDISCOVERINGMULTIPLE(IGGS
DMなど他の物理へ
EVIDENCEFORANEXTENDED(IGGSSECTOR
, 6 Ê 7Ê-"1,
- Ê" Ê * Ê 6 "/ "
NERS4HENTHEQUESTIONWILLBEWHETH
#0VIOLATIONEXISTATTHE4ERASCALE)NPR
LHC/LC
tan!=35!"!gluino!decay chain
グルイーノ
•
LHC が大きなカスケードの
構造を押さえる。
•
LCは足下を固める。
•
LCの情報を使って、もう一度
重たい超対称粒子を調べる。
生成断面積、分岐比、分
布。。。。
•
synergy or concurrency? The
latter word is...
スカラークオーク
第三世代のスカラークオーク
ヒグシーノ
Einstein’s Telescope
•
場の理論 •
•
低エネルギーの物理量→高エネルギーでの物理
コライダー実験では、直接手のとどかない高いエネ
ルギースケールでなにがおこっているかを推測する
ことができる。
超対称性模型の成功
•
低いエネルギーと高い
エネルギーの物理を定
量的に結びつけること
ができる理論
•
Extra dimention などの
模型は予言能力は低
い。重力の量子論に
いったとたん計算不能
* / ,Ê / Ê- ,"-
Extrapolating running
couplings to higher energies
ENERGIES4HESTRENGTHS
/- / Ê / /, Ê1 / "
ODUCEMASSESFORTHE
WITHENERGY5SING
FTHESUPERPARTNER
NBEEXTRAPOLATEDTO
LINESCONVERGEIT
FICATION3HOWNARE
SSESOFTHESQUARKS
CURACY
-ASS3QUARED
HOFTHEBANDSISTHE
10
#ANDSLEPTONS%,
5
%NERGY4E6
example: discovery of matter unification in supersymmetry
ERSTANDING THE ORIGIN OF NEUTRINO
THE :PRIME PARTICLE IS NOTHING MORE THAN A : BOSON
ILITYOFLEPTONIC#0VIOLATIONBOTH
MOVINGINONEORMOREEXTRASPATIALDIMENSIONS
OBABLYBEYONDTHEDIRECTREACHOF
4HE,(#EXPERIMENTSCANDETECT:PRIMEPARTICLES
超対称模型の周辺
超対称性
？
•
超対称粒子の質量パターンに現れる物理
•
超対称性の破れの起源 （GM？SUGRA?AM?)
•
標準模型を超える相互作用（ニュートリノ湯川？）
空間の形が見える？
（超対称粒子の質量の差）／（超対称粒子のスケール）
→ストリングのブレインの位置関係
空間の安定
ゲージ結合
我々の世界
宇宙項調整
超対称性の破れ
まとめ
•
物理は楽しい。