エネルギーフロンティアー実験 LHC計画の目指す物理 2009年6月近藤敬比古 (KEK) Original file at : http://atlas.kek.jp/sub/OHP/2009/200906Kondo_LHCPhysics.pptx 1 LHC ( Large Hadron Collider )計画 CERN ＠ジュネーブ (Webの誕生地）加速器トンネル周長 26.6 km （山の手線 34km) 計画承認 1994 建設完成 2008 建設コスト～１兆円（人件費なども含む） 2 CMS 開始後５０分後にビームスクリーンには入射ビームと一周したビームが同時に映し出された！ビームの軌道は各所のビーム位置モニターで測定され、直ちに次のビーム入射で軌道が修正された。 ALICE ATLAS LHCb 3 アインシュタインの式 E= エネルギーエネルギー 2 MC 質量（重さ）質量エネルギー原子力・核融合（反物質爆弾）光速質量高エネルギー物理ビッグバン 1869 メンデレーフの周期律表基本粒子の数 1 67 (1869年) 12 (1995年) (2xxx年？？) 1995 現在の周期律表：標準モデル 5 ４つの力（相互作用）全ての力はゲージ粒子の交換によって引き起こされる。相互作用: ゲージ粒子: スピン: 強い力グルーオン 1 電磁磁気力光子 1 ゲージ粒子弱い力Ｗ,Ｚボゾン 1 標準モデル（ゲージ場の量子理論に基づく）重力グラビトン 2 6 根源的な問題Ｑ1：発散の困難をどう回避するか？高次の量子効果を足し合わせてせると計算結果が無限大になる。Ｑ2：なぜ裸のクォークは見つからないのか？素粒子は３個のクォークか、クォーク・反クォークの対からできている。しかしクォークは単独では存在しない。 u u d 陽子 u u π中間子Ｑ3：なぜ W, Z (とクォーク/レプトン)は質量をもつのか？ゲージ不変→質量があってはならない。しかし mW～81 GeV, mZ～91 GeV。夫々の問題の解決者にはノーベル物理学賞が授与された! 7 Ｑ1の解決 : 量子電磁力学（QED）の成功 1940年代に朝永らによってくりこみ理論（renormalization method)が開発された。裸の質量や電荷を再定義し直すことによって発散を回避し、高精度の計算が可能になった。例：電子の異常磁気能率: g2 ae   0.00115965218085　(exp.) 2  0.00115965218870 (theory) 朝永 QEDがくりこみ可能なのは、QED理論が局所ゲージ不変であるからである。 1965 Feynmann Schwingers "for their fundamental work in quantum electrodynamics, with deep-ploughing consequences for the physics of elementary particles” キーワードは「局所ゲージ不変」参考：数理科学2007年11月号特集<電弱統一理論> Ｑ2の解決： QCD (量子色力学)の成功 • クォークは３種のカラー荷電を持ち、グルーオンを媒介して強い力が作用する。 • 漸近的自由性：力は（ゴム紐のように）近くて弱く遠くなると強くなる。 4S V (r )    kr 3 r D. Gross 2004 H.D. Politzer F. Wilczek "for the discovery of asymptotic freedom in the theory of the strong interaction" エネルギーを与えて素粒子内の２つのクォークを引き離そうとすると、途中でクォーク・反クォーク対が真空から作られて２つの素粒子に分裂する。エネルギー的にその状態の方が低いからである。 9 ヒッグスメカニズム南部陽一郎ヒッグス機構は少なくとも３人が提案した。自発的対称性の破れの提唱・自発的に対称性が破れると質量ゼロのスカラー粒子が出る（南部ゴールドストーンボゾン）。 "for the discovery of the mechanism of spontaneous broken symmetry in subatomic physics" ・ 1964年に何人かの理論屋が、ゲージ場と自己結合をもつスカラー場の存在の下では、自発的対称性の破れが起こると、質量 =0だったゲージ粒子が質量を持ち、南部ゴールドストーンボゾンが現れないことを指摘した。 2008 ・ WeinbergとSalamはこの指摘を弱い相互作用に適用した。 R. Brout F. Englert P. Higgs 10 自発的対称性の破れ（Spontaneous Symmetry Breaking）例：強磁性体  運動方程式は回転に対して対称であり、特別な方向を選ばない。  キューリー温度TC 以上で分子のスピンはバラバラで常磁性体である。  TC 以下では自発的に特定の方向が選ばれ強磁性を示す。素粒子の世界  運動方程式はゲージ変換（内部自由度の位相回転）に対して不変である。   １TeV以上では真空は対称である。 V 2 V  174 GeV 2  １TeV以下では真空(エネルギー最低状態）は自発的にゼロでないヒッグス場を持つ。 11 Ｑ3の解決： Glashow-Weinberg-Salam モデルの成功（１） • それまでの弱い相互作用の理論： 1934: E. Fermi : theory of b decay 1956-7: パリティ非保存→V-A theory いずれも、高エネルギーで発散し、くりこみ不可能であった。 S. Glashow ・高エネルギーでは電弱対称性 SU(2)L と弱ハイパー荷電対称性 U(1)Y が存在する。 • 低エネルギーではヒッグス場の存在によりそれらの対称性が自発的に破れて、３つのゲージ粒子は３つのヒッグス場を食べて質量を持つ。混合の結果電磁場 U(1)EM が残る。 • 少なくとも一つのヒッグス粒子が存在する。 • クォーク・レプトンも質量を持つことが可能。 1979 S. Weinberg A. Salam "for their contributions to the theory of the unified weak and electromagnetic interaction between elementary particles, including, inter alia, the prediction of the weak neutral current" Ｑ3の解決： Glashow-Weinberg-Salam モデルの成功（２） SU(2)L × U(1)Y U(1)EM ４つのゲージ粒子 1 W W 2 W 3 B m=0 m=0 m=0 m=0 m=0m=0 m=0 m=0 自発的対称性の破れ + _ 0 W W Z m80W 80m W 91 mmg=0 Z m=0 GeV GeV GeV (Higgs機構） 1 2 3 mmH=?? 4 H ４つのヒッグス粒子  V 2 V 2 13 ヒッグス場による質量（重さ）の獲得・ W/Zやクォーク・レプトンは、ヒッグス場との相互作用のため、運動にブレーキがかかり、それは質量を得たとみなすことができる。光はヒッグス場と結びつかないので質量=0である。現実の世界真空の対称性がある場合光速光速光速よりも遅い光速よりも遅い抵抗抵抗クオークレプトンクオーク抵抗 W 光速光 W 光速よりも遅いレプトン光光速ヒッグス場の海自発的対称性の破れ 14 Glashow-Weinberg-Salam モデル      2 2 1  1 L  L ig  D L  R ig  D R  W   W  B  B  D    2 †    †  Ge R  †L  L R 4 4     1 where D     ig2W   ig1 BY , B   B    B , L   e  , R  eR 2 2  e L  SU(2)L :   i  ( x ) Le 2 L,     1 R  R, W  W    ( x)   ( x)  W , B  B g2   1 U(1)Y : L  eib ( x )Y L, R  eib ( x )Y R, W  W , B  B    b ( x) g1  Z   cos W  sin  W W3   ,      A   sin  W cos W  B  g2  e e , g1  sin W cos W after Supontaneous Symmetry Breaking : SU (2) L  U (1)Y  U (1)Q , ( x)   1  0   　2   h ( x )   1 g 22 4h 3 h 4  2 1 2   2 1 2 1 2 2 1 2 2 L  h   g 2W W   h   ZZ   h    2 h     1  3  4   Gee e  Ge he e 2 4 8 cos2 W 2 4     m 1 1 g2 therefore　mW  g 2 , mZ    W , mH  2  , me  Ge ,   2 2 cosW cosW [1] S. Wenberg, Phys. Rev. Lett. 19 (1967) 1264 15 1  246 GeV 2GF GWS モデルの確証理論的には • 1971年：ト・フーフトがGWSモデルがくりこみ可能であることを証明した。 D ‘t Hooft M. Veltman "for elucidating the quantum structure of electroweak interactions in physics" 1999 GWSモデルの実験による検証 • 1973年：CERNで中性カレントの存在が検証された。 • 1978年：SLACの偏極電子ビームを使ったed散乱実験でパリティ非保存（γ-Z の干渉効果）を確認した。 C.Y. Prescott et al., Phys. Lett. 77B(1978)347. C. Rubbia S. van der Meer • 1983年：CERNでW, Z粒子が発見された。 1984 "for their decisive contributions to the large project, which led to the discovery of the field particles W and Z, communicators of weak interaction" 標準モデルの予言能力電子陽電子消滅によるハドロン生成の断面積標準モデル・標準モデルは1 eVから1千億 eVレベルまでの広いエネルギー範囲を非常に高い精度で記述する。・標準モデルに反する事象はまだ発見されていない（暗黒物質を除いて）。 17 現在の周期律表：標準モデル mgluon  0 mg  0 mW  80 GeV mZ  91GeV ヒッグス粒子のみが未発見。他はすべて２０世紀に発見された。 18 標準ヒッグス粒子の性質 • （実に不思議なことに）ヒッグス粒子の質量 mH はフリーパラメータで標準モデルは予言しない。たぶん100～1000 GeVの間であろう。 • LEP実験での直接探索  mH > 114.4 GeV • テバトロンでの直接探索  mH ≠ 170 GeV • 量子補正による間接測定  mH < 144 GeV 黄＝直接測定で除外された領域青＝標準モデルの測定量から量子補正を通じて推定されたヒッグス粒子の質量の確率（χ2）分布。 LHC/ATLASでのヒッグスイベント: pp→H→ZZ→μ+μ-μ+μ-(黄色の線). 19 LHCでのヒッグス粒子探索 • 質量 mH の関数としてヒッグス粒子の生成断面積や崩壊過程はよく予言できる。 • ヒッグス粒子の発見チャンネルは数種類あり mH の領域にかなり依存する。 H H H H g g  Z Z           W W       ,   j j   H→gg チャンネルの模擬解析結果。L=1fb-1 で縦軸の数がイベント数に相当する。 2012(?) 2011(?) • データ収集は2009年10月に始まる。２－３年で114～1,000 GeVの全領域で発見が可能になる。 2010 (?) 100 200 500 1,000 mH (GeV) 赤：5s の信頼度での発見ライン青：95%の信頼度で排除できる範囲。 20 階層性問題 • 次の新しい物理がプランクスケール(1019 GeV) までないとき、ヒッグス粒子の質量 mH は大きな量子補正を受けて（スカラー粒子なので） mH = 200 GeV dmH = 1,000,000,000,000,000,000 GeV これは非常に不自然である（階層性問題）。 eR H H eL dm  2 H ye 2 16 2  2 2 cutoff   6me2 lncutoff / me   ..... mH に対する量子補正の式 ~e , ~e R L 問題解決策その① : 超対称性粒子の導入ヒッグスの２次発散の項を超対称性（SUSY）粒子で正確にキャンセルすることができる。 H dmH2  H   y e~ 22cutoff  4m 2e~ ln  cutoff / m e~   ..... 2 16 問題解決策その② : 大きな余剰次元の導入新しい物理が1～10 TeVに存在する。 SUSY粒子によるmHに対する量子補正 21 SUSY (超対称性）粒子フェルミオン（半整数スピン）とボゾン（整数スピン）の交換の対称性 d (spin)   1 2 SUSY粒子はまだ１個も見つかってない  SUSYはソフトに破れているモデル 22 Running couplings （走る結合変数）・相互作用の強さ（結合変数）は真空偏極によりエネルギースケール（距離）と共に変化する。・ QED : 遮蔽効果高エネルギーで強くなる  EM (q 2 )   EM ( 0 )  EM ( 0 )  q 2  1 N ln 2  0  3   + - + 2 , N  n  3  qquark quark QEDでは真空偏極で電荷がより隠される。・ QCD: 反遮蔽効果高エネルギーで弱くなる  3 (q )  2  3 ( 02 )  q2   3 ( 02 ) 2n f  33ln  2  1 12  0  グルーオンの自己結合のため gluon quark q gluonとquark の雲 QCD ではカラー電荷が真空偏極で増幅される（nq < 33/2） 23 ３つの相互作用の大統一の可能性もし 1 TeV付近に超対称性粒子が存在すれば、３つの相互作用の強さは2x1016 GeV で１点に交わる!! ー＞大統一の可能性が出てきた。 note: based on RGE equations given by U. Amaldi et al., Phys. Lett. B260(1991)447. data for 1/1 are scaled from 1/EM by 3/5*cos2W 24 暗黒物質 Dark Matter 銀河の回転速度重力レンズ効果を用いた暗黒物質観測の３次元マップ銀河クラスターの運動標準モデルは我々の宇宙の４％のみの範囲しか記述していない！！３°Ｋ宇宙背景輻射銀河クラスター同士の衝突で暗黒物質（青）が分離された様子 25 膨張する宇宙の熱力学：冷たい暗黒物質シナリオ dn 2   3Hn   s A v n 2  nEQ   dt DM h2  0.1 m ~ 0.1 ~ 1 TeV, sv ~ 1 pb LHCの到達できる範囲 !! 暗黒物質の有力候補ニュートラリーノ未発見 26 ~ g LHCのSUSY粒子探索 • R パリティ保存則： R   1 3 B L 2 S 標準モデル粒子 R=+1 SUSY粒子 R=-1 LSP (lightest supersymmetric particle) は中性で安定、物質と相互作用しない→暗黒物質のよい候補！！ p p u u q ~ g g q ~0  1 (LSP) LHCでのSUSY 粒子生成過程 • LHC実験ではLSP が測定器から抜け、大きな横エネルギーEtの消失が起こる。１年の LHC実験で 1 TeV領域まで探索できる。 • まとめ：SUSY粒子が1 TeVにあると ① 階層性問題が解決する. ② 大統一の可能性が高まる. ③ 暗黒物質が同定できる. CMS実験でのSUSY粒子生成シミュレーション 27 階層性問題解決への新しいアプローチ大きな余剰次元モデル電弱スケール 1016 Planckスケール 4+2余剰次元の重力重力は大きな次元のバルクにも広がるが、標準モデルの粒子は４次元ブレーンに閉じ込められている。エネルギースケール 28 LHCでビッグバンから 10-12 秒までにさかのぼる。 29 from E. Kolb and M. Turner p.73 History of Universe QUANTUM GRAVITY ● Supergravity? ● Ex Dim? ● Supersymmetry? ● Superstrings? END OF GRAND UNIFICATION END OF ELECTROWEAK UNIFICATION 1025 K 1020 K 1015 K 1018 GeV 1015 GeV 1012 GeV 109 GeV 106 GeV Rest Energy of Flea KE of Sprinter of Atoms ● Formation of ● Decoupling of ● End of SUSY? Quark Hadron Structure begins Matter and Transition Big Bang Nucleosynthesis ● Origin of MatterAntimatter Symmetry ● Monploles ● Inflation 1030 K ● Formation MATTER DOMINATION Highest energy Cosmic rays 1TeV CM Energy of LHC 1010 K 1GeV 105 K 1MeV 1keV Nuclear Binding Energy 1K 1eV 1meV Atomic Binding Energy 1 103 106 109 Years 1042 s 10-36 s 10-30 s 10-24 s 10-18 s 10-12 s 10-6 s 1sec 106 s 1012 s 1018 s  e             Leptons  e      &  u  c  t  Quarks      d  s  b  GLUONS Gauge W , Z Bosons X, Y, ..... Photons g LHC陽子衝突実験のカバーする範囲   e n, p   H ,D , 3 He  , 4 He  , 7 Li    , e  2K  bkgd H , D, 3 He, 4 He, 7 Li R(matter/radiation)=5x10-10 3K CMB まとめ • 標準モデルは成功した。しかしヒッグス粒子が見つかっていない。 • W, Z粒子の質量があるためには、ヒッグス場が存在し、自発的対称性の破れが起こらなくてはならない。その結果、ヒッグス粒子が存在する。 • ヒッグス粒子を発見するためのLHCが完成した。 • ヒッグス粒子や超対称性粒子は２～３年で発見が可能になる。 • もし超対称性粒子が見つかれば、階層性問題は解決し、大統一が可能になり、暗黒物質の有力候補が見つかる。 • LHCでの実験で明らかになるであろう物理は、ビッグバンから10-11 ～ 10-38 秒での物理に相当する。 31