ヒッグス粒子探索の最前線

1. ヒッグス粒子探索の最前線 物理学セミナー 2010年10月13日 佐藤構二

2. 目次 • イントロダクション • ヒッグス粒子とは？　　←　標準理論のヒッグス粒子 • 高エネルギー加速器実験 • ＣＤＦ実験 • 実験装置、どうやって粒子を検出しているか • 最新のヒッグス粒子探索 • ＬＨＣ実験 • 新しく運転を開始した最高エネルギー加速器 • ヒッグス粒子探索のポテンシャル

3. イントロダクション

4. ? 素粒子物理学とは • 物質を細分化していくと何に行き着くか？ • それ以上分けられない物質は？ • ⇒　物質の究極の構成要素＝素粒子 水の分子10-7cm 原子核10-12cm クォーク≤10-16cm ? 陽子10-13cm 酸素原子10-8cm

5. 物質を構成する素粒子 • 物質は、クォークとレプトンからなる。 • クォーク、レプトンそれぞれ３世代。

6. 物質を構成する素粒子 • 重力はまだ、素粒子に働く力としては観測されていない。

7. 素粒子の質量 物質粒子 ゲージ粒子 • 力を媒介するゲージ粒子のうち、なぜＷとＺだけが重いのか？？

8. 質量とは？ ビッグバン直後 現在 粒子は真空から力を受けずに飛び回る。 真空にはヒッグス場が充満している。 粒子はヒッグス場（粒子）とぶつかりながら飛ぶので抵抗を受ける。　⇒　質量を獲得

9. ヒッグス機構 ヒッグスポテンシャル • V (f) = m2f2 + lf4 ( l ビッグバン直後 m2>0 現在 m2<0 自発的対象性の破れ （真空の相転移） ヒッグスポテンシャル 真空 真空 ヒッグス場　 F1, F2は複素数。

10. 標準理論の世界

11. ヒッグス質量に対する理論的制限 Λ：　標準理論を超える新しい物理が出現するエネルギースケール • Λがいくつであっても、ヒッグス粒子の質量は800 GeV以内。

12. 標準理論の成功 • 世界中さまざまな実験でいろいろな物理量が測られているが、いまのところ標準理論と矛盾する結果はない。 全部3σ以内で一致!！

13. 標準理論の問題点 • なぜ3世代あるのか説明していない。 • 重力が入っていない。 • クォークとレプトンの質量は、標準理論では予言できないフリーパラメータである。 • Mtop/Me～O(105) • …… ⇒　ヒッグス粒子を発見し、精密に測定することで新展開・ヒントを探す。

14. 高エネルギー加速器実験 • なぜ素粒子を高エネルギーに加速して衝突させたいか？ • もし素粒子に内部構造があれば、十分にエネルギーを与えれば素粒子を壊すことができる。 （実際に陽子を衝突させるとき、これほど単純なことがおこっているわけではない．．．。） • 素粒子間の反応で生成された粒子、およびその粒子が崩壊を調べる。

15. 重心系エネルギーとルミノシティ • 相対論の不変質量は • Ｍ新粒子＜ＥＣＭ以内の粒子なら生成される可能性あり。 • 衝突の重心系エネルギーが新粒子（ヒッグス）質量より大きくないと、　新粒子は発見できない。 • 重い新粒子探索は世界最高エネルギーの加速器で行うのが効率的。 • ルミノシティ　L • 反応断面積σの単位は b (=10-24cm2,バーン） • pb (=10-12)を使うことが多い。 • 反応断面積に掛けると事象数になる量、 • したがって単位はpb-1 • ルミノシティLはデータ量を表す。 新粒子 1 2

16. ハドロン衝突型加速器 • レプトン衝突型と違って、ハドロン衝突型加速器では、素過程（興味ある素粒子反応）に全エネルギーを使えない。 • Ｓｐｅｃｔａｔｏｒ　Ｐａｒｔｏｎがエネルギーを持ち去ってしまうため。 • 重心系エネルギーの10分の１くらいを使える（目安）。 • 重心系エネルギー2 TeVのTevatron 　　　　⇒200 GeVくらいまでのヒッグス粒子を探せる。 Parton distribution Spectator partons p p ヒッグス 粒子生成!

17. 最近から近未来の最高エネルギー加速器 Tevatron ppbar 1.8-1.96 TeV Fermilab USA ILC e+e- 0.5-1 TeV ? ? SLC e+e- 91 GeV SLAC USA トップクォーク発見 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 W/Zボソン発見 SppS ppbar 630 GeV CERN Switzerland LEP e+e- 91-209 GeV CERN Switzerland LHC pp 7-14 TeV CERN Switzerland

18. 加速器のエネルギーと宇宙年齢

19. 加速器エネルギーを日常生活と照らしあわせてみる加速器エネルギーを日常生活と照らしあわせてみる • 現在の加速器：～1 TeVのエネルギースケールで実験。 • Tevatronのビームエネルギー = 1TeV • 飛んでいる蚊のおよその運動エネルギー = 1.60 nJ = 1 TeV ※ ⇒　素粒子１個に蚊の運動エネルギーを集約している。すごいこと！ • 宇宙年齢1013秒ころに起きていた物理現象を実験している。 • 大統一理論のエネルギースケール（ＧＵＴスケール） = 1016GeV • 激しい労働をしない男性の1日の摂取カロリーの推奨値　 = 2000 kCal※ = 2.6×1016GeV • プランク・スケール = 1019GeV ※wikipediaより

20. ＣＤＦ実験

21. Ｔｅｖａｔｒｏｎ加速器 • シカゴ郊外のフェルミ国立研究所。 • 2008年まで世界最高エネルギー、現在は世界2位。 • 陽子・反陽子衝突。 • Run I (1992-1996) • Ep,pbar=900 GeV • √s = 1.8 TeV • 積分ビーム輝度 ~110 pb-1 • Run II (2001-現在) • Ep,pbar=980 GeV • √ s = 1.96 TeV • Two multi-purpose detectors • CDF, DØ 2km

22. Ｔｅｖａｔｒｏｎチェーン 反陽子 陽子 MAIN INJECTOR DØ p,pbar:150GeV ANTIPROTON SOURCE p:8GeV TEVATRON p,pbar:980GeV BOOSTER p:8GeV CDF LINAC H-:400MeV PROTON COCK CROFT-WALTON H-:750keV NEUTRINO MESON

23. 週間ルミノシティ • （バックグラウンド事象を減らすために事象選別するため、このイベント数がそのまま解析で使えるわけではない。） • １日ごとに新しいビームに入れ替える。 • １週あたり　～50 pb-1データがたまる。 • トップクォーク（7 pb） ⇒　週に350個 • ヒッグス（～1 pb） ⇒　週に～50個

24. いままでに取得したデータ量 • Delivered ～9.5 fb-1. • Acquired ～8.0 fb-1. 現在 2001年 ＲｕｎＩＩ開始 1 fb = 0.001 pb 1 fb-1 = 1000 pb-1

25. CDF実験 • Tevatron加速器の陽子・衝反陽子突点にＣＤＦ検出器を置いて素粒子反応のデータを取っている。 大きさ　10×10×10ｍ 重量　　3000トン

26. ＣＤＦコラボレーション • 世界中14カ国から、600人の研究者が参加。

27. 素粒子反応の再構成 • 終状態をみて、何が起こったかを調べる • ヒッグスやＷ／Ｚなどは、できたらすぐに崩壊してしまう。 • 終状態の粒子：　安定，もしくは長寿命な粒子 • e±, ν, γ, p, n, μ±, π±,K±, KL 例）　終状態にミューオンが二つある場合 Z→ μ μ μ１ ？ p p μ２ エネルギー・運動量保存則を使って親粒子の質量を計算

28. ミューオン検出器 ハドロンカロリメータ 電磁カロリメータ ソレノイド電磁石 Time of Flight ドリフトチェンバー シリコン飛跡検出器 衝突点 粒子の同定，電荷・運動量の測定 最小電離作用のみ 横方向消失エネルギー 電磁シャワー ハドロンシャワー ジェット

29. シリコン飛跡検出器 シリコンマイクロストリップセンサ 荷電粒子の通過した 位置を数十ミクロン間隔 で埋め込まれた電極により測定 シリコンマイクロストリップセンサを層状に配置することで、粒子の飛跡を高精度に再構成できる。

30. 中央飛跡検出器（ドリフトチェンバー) 荷電粒子が通ると充満されているガスが電離してワイヤーに信号を残す

31. カロリメータ プラスチックシンチレータ 光電子増倍管 • 電磁カロリメータ • 鉛/シンチレータ • ハドロンカロリメータ • 鉄/シンチレータ 荷電粒子の通過に伴いシンチレータが出す微弱な光を光電子増倍管で電気信号として読み出す。 電磁シャワー ジェット e p

32. CDF検出器

33. y z x ミュー粒子検出器 シンチレータ ドリフトチェンバー

34. 大きさ　10×10×10ｍ 重量　　3000トン

35. Tevatronでのヒッグス粒子探索

36. b l+ g q 100% t W+ n 15% 85% q t q g W- 100% q’ b トップクォーク質量の精密測定 ＣＤＦとＤ０両実験でさまざまな解析を行い、解析結果を足し合わせて世界平均を測定している： トップクォーク質量測定 レプトン＋ジェットチャンネルの例： Mtop = 172.0 +/-1.5 GeV/c2 Mtop = 173.3 ± 1.1 GeV/c2 Template based measurement in Lepton+Jets channel (4.8 fb-1)

37. Ｗボソン質量の精密測定 • 不変質量でなくMT（不変質量からＰｚの項を落とした量）を再構成し、Ｗの質量を測定する。 Tevatronの結果とCERNのLEP実験の結果を足し合わせて世界平均を測定している： MW = 80399 ± 23 MeV/c2 200 pb-1 MW = 80413 ± 48 MeV/c2

38. トップ・Ｗボソン質量の精密測定によるヒッグス質量への制限トップ・Ｗボソン質量の精密測定によるヒッグス質量への制限 輻射補正の計算により、ヒッグス質量とトップ・Ｗボソンの質量には関係がある。 フィットから： mH < 158 GeV @ 95% CL (mH = 89.0 +35/-26 GeV) Mtop = 173.3 ± 1.1 GeV/c2 MW = 80.399 ± 0,023 GeV/c

39. トップ・Ｗボソン質量の精密測定によるヒッグス質量への制限トップ・Ｗボソン質量の精密測定によるヒッグス質量への制限 輻射補正の計算により、ヒッグス質量とトップ・Ｗボソンの質量には関係がある。 • 2003年の時点では: • Mtop = 178.0  4.3 GeV/c2 • MW =80410  32 MeV/c2 Mhiggs < 260 GeV/c2 (95% C.L.) Tevatron Run IIの結果が得られたことによる進展 フィットから： mH < 158 GeV @ 95% CL (mH = 89.0 +35/-26 GeV) Mtop = 173.3 ± 1.1 GeV/c2 MW = 80.399 ± 0,023 GeV/c2

40. 2000年9月 新聞記事 2000年にCERN研究所（ジュネーブ）ＬＥＰ実験で質量115GeV/c2のヒッグス粒子の候補事象が見えた（95％信頼度）。同時に114GeV/c2以下のヒッグス粒子は存在しないことを示した。 フェルミ研究所テバトロン加速器を用いた陽子・反陽子衝突実験で現在ヒッグス粒子探索中。 LEP実験の直接探索結果: MH<114.4 GeV の質量領域を棄却（95% C.L）

41. Ｔｅｖａｔｒｏｎでのヒッグス粒子の性質 bb WW MH<135 GeVでは、 MH>135 GeVでは、 W/Z が探しやすい探索モードである。

42. ＷＨ→lνbb解析 ニューラルネットによる イベント選別: バックグラウンドを減らすため、さまざまなｂ-タガーを使用。 ニューラルネットによるイベント選別。 M(b,b) ヒッグス信号が見つからない ⇒　生成断面積にリミットを付ける:

43. Ｈ→WW→lνlν解析 散乱振幅の理論計算、ニューラルネットによるイベント選別。 ニューラルネットによる イベント選別: スピンの違いは崩壊粒子の角度分布に現れる Spin 0 H ➞ WW Spin 1 γ/Z ➞ WW ヒッグス信号が見つからない ⇒　生成断面積にリミットを付ける: レプトン間の角度

44. CDFの現在の探索結果 有利な探索チャンネルだけでなく、様々な探索モードで徹底的にヒッグス粒子を探している。

45. Tevatronの現在の探索結果 ＣＤＦとＤ０のすべての探索モードの結果を足し合わせた： 1.45×SM @ MH=115 GeV/c2 ヒッグス粒子の質量は、158<MH<175 GeV/c2の範囲ではない（95％C.L.）

46. Tevatronの今後 発見に必要なルミノシティの予想値： 2014年末 100<MH<180 GeVの質量領域で ”>3σ Evidence” 2011年末 MH<200 GeVの全質量領域で2.4σ Tevatronは2014年までの実験延長を模索している（ＬＨＣとの兼ね合い）。

47. LHCでのヒッグス粒子探索

48. LHC加速器 • Ｌａｒｇｅ　Ｈａｄｒｏｎ　Ｃｏｌｌｉｄｅｒ • 陽子・陽子衝突 • 重心系エネルギー１４ＴｅＶ • 直径約８ｋｍ • 4つの実験 • ＡＴＬＡＳ・ＣＭＳpp衝突での 　　ヒッグスや超対象性粒子の探索 • ＬＨＣｂ　Ｂ物理 • ＡＬＩＣＥ　重イオン物理

49. ＡＴＬＡＳ検出器 • ＬＨＣの陽子・陽子衝突点のまわりに置かれる検出器。

50. ＡＴＬＡＳコラボレーション 38カ国、174研究機関から3000人が参加