新学術領域研究申請課題 テラスケールの地平線を切り拓く 先端加速器による素粒子物理 LHCが7TeVでの 運転を開始した 直後のイベント （2010年3月30日） 領域代表者 小林富雄 東京大学素粒子物理国際研究センター 東京大学理学系研究科 駒宮幸男、浅井祥仁 1 研究の目的 エネルギーフロンティアでの素粒子研究を結集し、 新たな領域として提案する。 １）LHC実験によりテラスケール（TeVエネルギー領域）での直接発見を行う ・ヒッグス粒子の確実な発見を通して、質量の起源や真空の構造を解明する ・超対称性（あるいは余剰次元）の発見を通して、時空の構造を解明する ・標準理論を超える新しい素粒子現象の探索を行う ２）次世代のエネルギーフロンティア物理研究へ向けて、必要となる加速器や 検出器技術の開発を総合的に行い、次世代実験の方針決定に主導的役割を 果たす ３）テラスケール素粒子物理の成果を宇宙物理学などへ展開する ・宇宙の暗黒物質の正体を解明する ・自発的対称性の破れによる相転移が現在の宇宙の多様性の起源となった ことを実証する 2 ヒッグス粒子（質量の起源） 素粒子の標準理論： ・相互作用（力）はゲージ原理が支配 ・ヒッグス粒子はゲージ対称性を自発的 に破り素粒子に質量を与える ・ヒッグス粒子は標準理論で唯一未発見 の粒子 LEPやTevatronでの実験結果からの制限 ヒッグス粒子の質量は 115～160 GeV の間にありそう LHCで確実に発見可能 ヒッグス粒子の直接の発見が 素粒子物理の最緊急課題 3 超対称性粒子（SUSY） ・標準理論の粒子とスピンが1/2だけ異なる粒子 ・重力を含む力の統一に必要 （超対称性粒子） （標準理論の素粒子） この中で最も軽い中性粒子が ダークマターの有力候補 LHC実験は力の大統一やダークマターに必要な 超対称性の領域（テラスケール）をほぼカバー 4 ・真空の構造？（ヒッグス） ・宇宙は相転移したか？ ・影の世界はあるか？（超対称性） ・究極の理論は？ ・宇宙は本当に３次元か？（余剰次元） ブラックホール？ 暗黒エネルギー？ 超弦理論？ インフレーション？ 万有引力 テラスケールに 解決のヒントが 一般相対性理論 5 研究組織 X01 総括班 （企画調整、 広報・アウトリーチ） LHC実験で 直接発見 素粒子、時空、 宇宙の理解 公募研究 LHCでの発見と最先端検出器技術を 次世代エネルギーフロンティア実験へ導く 6 LHC (Large Hadron Collider at CERN) （大型ハドロンコライダー） ・ 14 TeV の陽子・陽子衝突型加速器 ・ LEPトンネル（周長27km）を利用 ・ 建設に14年 ・ 総建設費は約5000億円 ・ 2008年9月完成、ビーム周回に成功 ・ 2009年11月、ビーム衝突（900GeV）に成功 ・ 2009年12月、2.36TeVでのビーム衝突 ・ 2010年3月、7TeVでのビーム衝突 * CERNのLEP（電子・陽電子）は 200GeV * 米国フェルミ研究所のTevatron（陽子・反陽子）は 1.96TeV 2-in-1超伝導ダイポールマグネット： 磁場強度 8.3T、超流動ヘリウム温度 1.9K、長さ 14.3m、1232台 7 ATLAS実験装置 (A Toroidal LHC Apparatus) 巨大かつ精密な 粒子検出器 ・直径 22m、長さ 44m、重さ 7000t ・世界最大の超伝導トロイド磁石 ・センサー数 1億チャンネル ・37ヵ国、173の参加機関、2990名の研究者 （2010年4月時点）による国際共同実験 ・日本グループ（15の大学・研究所、110名）は ミューオントリガー検出器、内部飛跡検出器、 ソレノイド超伝導磁石などに貢献 8 アトラス測定器 （日本担当部分） 内部飛跡検出器（半導体検出器） 超伝導ソレノイド磁石 ミューオントリガー検出器 LHC Computing Grid 地域解析センター 9 10 LHC運転予定と発見能力 2010年 2011年 2012年 2013年 2014年 H → gg 100~200 pb-1 (7 TeV) ~1 fb-1 (7 TeV) シャットダウン 3~7 fb-1 (13 TeV) 5~16 fb-1 (13~14 TeV) イベント数（30 fb-1） VBF H → tt 30 fb-1 で 確実に発見 （5s以上） 最終年度までには標準理論ヒッグス粒子の 確実な発見（5s以上）が可能 11 超対称性粒子イベントの特徴は、見えない粒子（暗黒物質）によるアンバランスさ 14 TeV SUSY ( q˜ , g˜ ) 発見可能な領域 7 TeV, 200 pb-1 で ~500 GeV まで 7 TeV, 1 fb-1 で ~700 GeV まで 14 TeV, 10 fb-1 で ~2 TeV まで 12 次世代テラスケール実験に向けて LHCビーム最終収束 s.c. Q-magnet (NbTi) 最先端検出器、 エレクトロニクス → SLHC → DLHC → Linear Collider (e+e-) 13 経費 （千円） 15,000 X00（総括班）合計 23,700千円 総額（平成22年度～平成26年度） 1,199,300千円 （千円） 100,000 10,000 80,000 5,000 60,000 B01（検出器R&D）合計 217,000千円 40,000 0 20,000 250,000 A01（Higgs/SUSY）合計 310,200千円 0 200,000 B02（加速器、将来計画）合計 175,900千円 150,000 80,000 100,000 60,000 50,000 40,000 0 20,000 0 300,000 250,000 200,000 150,000 100,000 A02（SM精密測定）合計 310,200千円 100,000 C01（理論研究）合計 123,500千円 80,000 60,000 40,000 50,000 20,000 0 0 14 重複応募の制限について １）特別推進研究との重複応募 森俊則（東京大学素粒子物理国際研究センター）： 計画研究B02「次世代加速器での物理研究及び技術開発」の研究分担者（ILC物理担当） ↔ 特別推進研究「MEG実験‐レプトンフレーバーの破れから大統一理論へ」の研究代表者 ⇒ 森は研究分担者を辞退し、計画研究代表・駒宮と連携研究者の大谷が替わって研究を行う 計画研究B02「次世代加速器での物理研究及び技術開発」 研究代表者 研究分担者 研究分担者 研究分担者 連携研究者 連携研究者 連携研究者 連携研究者 連携研究者 研究計画調書（Mar. 2010） 駒宮幸男（東京大学理学系研究科・教授） 総括、ILC測定器開発研究 山本明（高エネルギー加速器研究機構・教授） ILC超伝導加速器の開発研究 森俊則（東京大学素粒子物理国際研究センター・教授） ILCでの物理研究 中本健志（高エネルギー加速器研究機構・講師） LHCアップグレード加速器の研究 神谷好郎（東京大学素粒子物理国際研究センター・助教） ILCの物理 萩津透（高エネルギー加速器研究機構・教授） LHC入射系（SPS）高繰り返し磁石の研究開発 木村誠宏（高エネルギー加速器研究機構・講師） LC超流動He冷却技術の研究開発 佐々木憲一（高エネルギー加速器研究機構・助教） LHCアップグレード超伝導磁石のクエンチ保護 大谷航（東京大学素粒子物理国際研究センター・助教） ILC物理研究と測定器の最適化 （5月1日付で准教授に） ２）基盤研究（Ｓ）との重複応募 該当なし 15 まとめ ヒッグス粒子や超対称性など素粒子物理学の根幹に関わる 新粒子や新現象を確実に発見するのがLHC実験である。 本領域研究「テラスケール物理」は、 ・LHCでの発見を主導的に行う。 ・LHC実験で培った検出器技術を次世代実験に活かす。 ・関連する理論研究を結集し、LHCでの発見の本質を 研究することで、新しい素粒子物理の方向性を決定する。 また宇宙物理などへの応用も行う。 ・これらをもとに、次世代エネルギーフロンティア実験の方針を見据え、 鍵となる新しい加速器・検出器技術の開発を総合的に行う。 テラスケールで発見される新しい物理は、「物質」や「力」などの研究ばかりでなく、 その入れ物となる「真空」や「時空」の研究へと発展し、新しい自然観を創造するもの である。またそれらは素粒子物理学のみならず、宇宙の進化の解明など、科学全般への 計り知れない貢献をもたらすものである。 16 参考の ページ 17 参考の ページ 標準理論の精密検証と その破れから探る新物理 18
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