CDF実験における余剰次元探索第１回「アインシュタインの物理」でリンクする研究・教育拠点研究会２００８年１０月１１日（土）高エネルギー物理学研究室清矢良浩重力相互作用の強さ m1m2  (r )  GN r GN  6.67  10  6.71  10 11 39 3 1 2 m kg s c 2 2 c  2 (GeV / c ) M Pl プランク質量： M Pl  1.22 10 19 GeV / c 2 重力相互作用の強さ m1m2 c G (r )  2 M Pl r c EM (r )   r 1 c 137 r ( = 微細構造定数) m  M Pl において重力は他の相互作用と同程度に強くなる電弱相互作用スケール  電弱ゲージ相互作用の媒介粒子： W , Z mW  80 GeV/c 2 mZ  91 GeV/c 2 電弱ゲージ対称性の破れの質量スケール M EW  100 GeV ~ 1 T eV 0 階層性問題 M Pl  M EW ＞１０１６ＧｅＶをカバーする安定な理論を構築できるか？ なぜ M Pl  M EW なのか？標準模型には問題あり（fine tuning, 自然さ問題）超対称性，テクニカラーなどの新現象の提案余剰次元の提案 N. Arkani-Hamed, S. Dimopoulos, G. Dvali （ＡＤＤ） Phys. Lett. B 429 (1998) 263 “大きな”余剰次元（LED=Large Extra Dimension） 4+n次元 L. Randall and R. Sundrum （ＲＳ） Phys. Rev. Lett. 83 (1999) 3370 “ゆがんだ”余剰次元 5次元４＋ｎ次元における重力ポテンシャル m1m2  (r ) G n1 r 0 N 真に基本的な重力定数余剰次元のサイズを r c とすると r  rc の巨視的空間では 0 N n c G GN  r “大きな”余剰次元=LED (ADD) 0 N n c G GN  r 小さな G N は適当に大きな余剰次元のためであり 0 G N は必ずしも小さくない 1 G  2 M0 0 N 1 とおくと M 0  1 TeV/ c 2 のとき rc  10 32  M Pl     M0  2 n cm rc  1013 cm (n  1) rc  10  2 cm (n  2) “大きな”余剰次元=LED (ADD) m1m2  (r )  GN r 万有引力の法則の直接検証は r 1 mm 程度（今は10m程度） 重力相互作用のみ可能な，適当に大きな余剰次元は検証・排除されていない 電弱スケールと重力スケールは同程度，つまり基本的スケールは１つのみ LED (ADD) の現象論 余剰次元内にたくさんの励起モード(Kaluza-Kleinモード) 中性で重力相互作用のみ  i y rc e  (x )  2 rc  （n=1の場合）終状態における消失エネルギーの発生 E  M 0 ( 1 TeV/c ) ではブラックホール蒸発 2 ゆがんだ余剰次元（ＲＳ）余剰次元方向へ激しく変化する計量 ds  e 2  dx dx  dy ky  標準模型の粒子 y 0 yL 宇宙項 0| |0  V1 0 0| |0  V2  2 k    / 24M 03 V1  V2   /k ゆがんだ余剰次元（ＲＳ） 3 M 2 2kL 0 M Pl  (1  e ) k 粒子の真の基本的な質量スケールを m0 とすると m e kL m0 k  M 0 とすると kL  30 程度で M 0  m0  M Pl 10 16 m  1 TeV/c 2 ゆがんだ余剰次元（ＲＳ）の現象論 Massive Kaluza-Kleinモード（ＲＳグラヴィトン）    2 m  ke  k   1 TeV /c M Pl   オーダー１の結合定数（パラメター＝k /M Pl ） krc  標準模型の粒子への崩壊物質粒子電荷 2/3 ハドロンバリオンメソン 1/3 q1q2q3 q1q2 0 p  uud n  udd    ud 1 物質粒子質量 100 GeV 1 GeV mN~1GeV/c2 Fermilab 敷地 ~ 5 km x 5 km 超伝導加速器テバトロンクウェンチしばしばテバトロン陽子・反陽子衝突器 36 x 36 バンチ１バンチサイズ: 半径 ~ 30 m, 長さ ~ 60cm バンチあたり：Np ~ 260109, Npbar ~ 60109 （最小）バンチ間隔 = 396 ns (~120 m)，平均1.7ＭＨｚビームエネルギー = 980 GeV v  99.9999 % c 約２４時間ごとにビーム廃棄及び入射反応断面積とルミノシティー事象数＝反応断面積  ルミノシティー＝   L （ビーム強度）  断面積の単位の例： pb （ピコバーン）= 1012b = 1036 cm2  ルミノシティーの単位： pb1 など  瞬間ルミノシティー： 1032 cm2/s = 0.1 nb1/s （現在の性能：１時間あたりトップクォーク生成事象数～７）最大瞬間ルミノシティー Design = 21032 cm2/s 2001.04.01 2008.10.01 積分ルミノシティー Total 5 fb1 陽子・反陽子衝突の描像横運動量（PT=Psin） “横”エネルギー(ET=Esin） q, g ビーム軸 p q, g K  電子など散乱の激しさを表す “T” = transverse  ˆ 素粒子レベルの反応断面積 Hadronization •クォーク・グルーオンのハドロンへの転化。 q, g p 方向的に集中した粒子群（ジェット）として観測。陽子・反陽子衝突 Process Inelastic pp Inclusive jets (ET>40) ppbb pp→WX →(e)X pp→tt pp→WH (if MH=115GeV) Cross-section 60000000000 pb 250000 pb 50000 pb 2500 pb 7 pb 0.2 pb Rate （1032 cm-2/s の場合） 6.0 MHz 25 Hz 5 Hz 0.25 Hz 0.0007 Hz 0.00002 Hz 陽子・反陽子衝突 CDF 実験  CDF = Collider Detector at Fermilab CDF実験の歴史日、米、伊の国際協力実験として始まる。積分ルミノシティー１９８１．１１９８４－８５１９８５．１０１９８７．１－８７．５１９８８．６－８９．５１９９０－９２１９９２．４－９３．５１９９３．１２－９５．８１９９５．１０－９６．２－２０００．秋２０００．秋－０１．春２００１．３－設計報告書テストビーム最初の陽子・反陽子衝突テストラン。最初の物理。 Run 0 テストビーム Run Ia Run Ib Run Ic 検出器増強立ち上げ Run II 共同実験者数８７名 (~20 events) ２５ｎｂ－１４．４ｐｂ－１１９０名１９ｐｂ－１８０ｐｂ－１７ｐｂ－１３５８名～5000 ｐｂ－１～７５０名スタッフ～４５０学生～３００ CDF Detector Total 1 M channels CDF検出器消失横エネルギー LED探索：γ＋消失エネルギー LED探索：ジェット＋消失エネルギー LED探索結果 RSグラヴィトン探索： pp   ２つのμ粒子の不変質量分布に共鳴を探すプロットは質量の逆数 RSグラヴィトン探索結果：pp   RSグラヴィトン探索： pp  ee RSグラヴィトン探索結果：pp  ee RSグラヴィトン探索結果：pp  ee RSグラヴィトン探索： pp  ZZ  eeee まとめ LED排除 @ 95% C.L. M 0  1.4 1.0 TeV/c 2 (n  2 ~ 6) RSグラヴィトン排除 @ 95% C.L. m  0.3 0.9 TeV /c 2 k (  0.01 ~ 0.1) M Pl