東邦大学理学部公開講座　 2008 　「究極の素粒子を求めて」

LHC 計画物質の重さの起源のヒッグス粒子

はもうすぐ発見されるか ?

2008.9.13 ＠東邦大学

東邦大学理学部客員教授　近藤敬比古

（高エネルギー加速器研究機構名誉教授）

1869 年、ロシアの化学者メンデレーエフは、 63 種類うまく並べて周期表を提唱し、当時まだ発見されていなかったいくつかの元素の存在を予言した。

素物質の数の変遷　→　素の数 =63

周期律表　縦の覚え方Ｈでリッチなけい子、ルビーせしめフランスへ。H Li NaK Rb Cs Fr

ベッドにもぐって、彼女とするのはバラ色さ。 Be Mg Ca Sr BaRa

水兵リーベ　僕の船、 名前あるシップス。クラークか、H He Li Be BCNOFNe NaMgAl Si P S 　 ClAr K Ca

ランラン♪セーラー服、ぷるぷる胸を。午後は澄まして、 La Ce Pr Nd Pm Sm

周期律表　横の覚え方

http://www.jergym.hiedu.cz/~canovm/vyhledav/varian20/jap3.html 　より

1913 ： N. ボーア（丁）原子模型を提唱。

1911 ： E. ラザフォード ( 新）原子核の発見

素の数 = ３ ( 陽子と電子）

1897 ： J.J. トムソン（英）電子の発見

1906

1908

1922

２０世紀は物理の時代！

1929 ： E. ローレンス（米）サイクロトロンの発明

1939

from Lawrence's 1934 patent.

1945 ：シンクロトロンE. マクミラン（米）V. ベクスラー（露） 1951

（ネプツニウムの発見）

加速器の発明

KEK の 12GeV 陽子シンクロトロン（ 1975 ～2006 ） E. マクミラン

シンクロトロンの原理

高周波加速空洞（電場サーフィン）

フレミングの左手の法則（私は「宇治電」と憶えた。右手は発電、左手はモーター）

prot

on

磁場

の向

き

力)( BυEF e

運動＝力

磁場

電流

エネルギーに比例して磁場の強さを上げる。

加速

器の

エネ

ルギ

ー(対

数目

盛)

2000 年1950年

LHC

陽子の質量 0.938 GeV ( ジェブ）

加速器の発達

8

素粒子で使うエネルギーの単位

e V (electron-Volt) = エレクトロンボルト（電子ボルト）

粒子の重さ（質量）は　 E = mc2 を使ってエネルギー単位で示す。例として

目で見える光のエネルギー 2 eVX 線のエネルギー 1 keVテレビの電子線エネルギー 10 keV電子の重さ me 0.51 MeV陽子の重さ mp 938 MeVLHC の陽子ビーム 7000 GeV一匹の蚊の重さ1000000000000000000000 GeV

MeV( メブ） =10 6 eVGeV( ジェブ） =10 9 eV

TeV （テブ） =10 12 eV

予備知識

100V の電極で電子を加速すると 100 eV になる。

mp×NA = 1 グラム (NA= アボガドロ数 =6.02×1023)

高エネルギー実験

加速されたビームで新しい粒子を作る。エネルギーが高いほど重い粒子をできる。

E = mc2

1921

（光電効果）

高エネルギー物理

A. アインシュタインエネルギー質量等価則

太陽・原子力

アルベルト・アインシュタイン語録　フリー百科事典『ウィキペディア』より

簡単な数字や記号を記憶することが苦手だった。新聞インタビューで、光速度の数値を答えられず「本やノートに書いてあることをどうして憶えておかなければならないのかね？」

とあるパーティーでマリリン・モンローから「私の美貌とあなたの頭脳をもった子供ができたら、どんなに素晴らしいでしょう」と言われた。彼は「私の顔と、あなたの知能をもつ子供が生まれるかもしれませんよ」と切り返した。

自分の相対性理論に関しては、「熱いストーブの上に一分間手を当ててみて下さい、まるで一時間位に感じられる。では可愛い女の子と一緒に一時間座っているとどうだろう、まるで一分間ぐらいにしか感じられない。それが相対性です」

「無限なものは二つある。宇宙と、人間の愚かさの二つだが、前者については断言できない」

検出器の例：泡箱（バブルチェンバー）

あわばこ

CERN では 3.7m の水素泡箱 BEBC（左）を使って 600 万枚の写真（右）が撮られた。

（過飽和状態の液体に粒子を通すとバブルができる）

1960

D. グレーザー（米）

ビ｜ム

素粒子バブル時代

1937 ミューオン

1947 パイオン

1950 中性パイオン

>1951

1955 反陽子の発見

. . .N(1688). Δ φη ρ

Ξ Ξ Σ Σ Λ K K K 0000

μπ

0π

1950( 原子核乾板）

C. パウエル（英）

素の数 ＞　１００

p1959

E. セグレ・ O. チェンバレン（米）

クォーク模型1955 坂田モデル　：　 p,n,Λ が基本粒子1964 M.ゲルマン他によるクォーク模型

1969

M. ゲルマン（米）

u

クォークの名の由来：「フィネガンズ・ウェイク」 ( ジェイムズ・ジョイスの小説）の中の鳥が quark, quark, quark, と３回鳴いたというところから取った。

d sアップ　　　　ダウン　　　ストレンジ

3 3 32 eee

素の数 = 3 ！

アップ　 　ダウン　 　　 ストレンジ

3 3 32 eee

陽子 中性子　

π+ K-

　

u u u d d d s s s

uud u

dd

u d su- -

統計問題→各クォークには３つの「色」を持っている。

1869

1995

相当簡単になった。

しかしまだ完成してない。

16

粒子を交換することによって力が伝わる。

　物質の間には力（相互作用）が必要

1935 湯川の中間子理論

中間子を交換して引き合う。

ほんとうは中間子でなかったが力の概念が革新的だった。

p+

p+

n

n1949

ちから 　（そうごさよう）

湯川秀樹（日）

強い力　　　　　電磁気力　　　　弱い力　　　　　重　力　　　　　　　　　　　　　

４つの力　と　力を伝える粒子

グルーオン　　　　　光　　　　　 Ｗ、Ｚ粒子　　　 グラビトンスピン １　　　　　　１　　　　　　　　　１　　　　　　　　　２

「標準理論」が確立した。みな性質が似ている→起源が同じだろう。

相対性理論ー＞超重力理論など

18

標準理論その１：量子電磁力学（ QED) の成功

S. 朝永　 R. ファインマン　 J. シュビンガー

1940 年代　くりこみ理論　朝永・ファインマン・シュビンガーは計算の中に出てくる無限大を回避する方法を開発した。→ 　精密な計算が可能になった！・例：電子の異常磁気能率

理論　

実験　

88700011596521.0

80850011596521.02

2

g

ae

e ee’

g

仮想状態

粒子 粒子

1965

「量子電磁力学の分野

における基礎研究」

無限大は仮想状態の無限の和から起きる。

実験も計算も実に大変だがこたえはひとつ！

標準理論その２：量子色力学（ QCD) の成功

D. グロス , D.ポリッツアー , F. ウィルチェック

　問題点１）　クォークは決して裸（単独）で存在しない。　問題点２）　強い力は短距離でしか働かない。

2004

「強い相互作用の理論における漸近的自由性の発

見」

（答）クォークは３種の色を持ちグルーオンを交換する。クォークが離れるほど力が強まる（ゴムひも）←漸近的自由性　

su-

du- s d-

標準理論その３：弱い力を介する W,Z に質量がある。

S.ワインバーグ , A.サラム , S. グラショー　

　問題点３）　Ｗ、Ｚ粒子に質量がある。　問題点４）　クォーク・レプトンに質量がある。

1979

（答）　ヒッグス場が宇宙に存在し、Ｗ、Ｚ粒子やクォーク・レプトンの質量を作る。←　「ゲージ対称性の自発的対称性の破れ」　　

0 gluonmm

「電磁相互作用と弱い相互作用の統一理論への貢献、特に中性カレントの予想 」

電弱理論　（ GSW 理論 ) 　

・方程式はゲージ対称のままだが　真空はその対称性を破っている。

・ヒッグス粒子が必ず最低１種類　存在しなくてはならない。

パリティの破れ弱い力は左がお好き

Glashow-Weinberg-Salam 理論

21[1] S. Wenberg, Phys. Rev. Lett. 19 (1967) 1264

, , ,2

1

2 where

4

1

4

1 222

R

L

e

e

eRe

LBBBYBgiWig

RLLRGBBWWRiRLiL

D

DDDL †††

)(1

, , , : U(1)

,)()(1

, , :SU(2)

1

)()(Y

2

)(2

L

xg

BBWWReRLeL

BBWxxg

WWRRLeL

YxiYxi

xi

　変換

　変換

W1

W2

3

WW

WW

cos ,

sin

e ,

cossin

sincos

e

ggB

W

A

Z

GeV 2462

1 , , 2 ,

coscos2

1 ,

2

1

41

4

12

2

1

cos8

1

4

1

2

1

)(

0

2

1)(,)1()1()2(

22

4

4

3

322222

2

2222

22

F

eeHW

W

WZW

eeW

QYL

GGmm

mgmgm

eehGeeGhh

hhZZg

hWWgh

xhxUUSU

　 　よって、

　　　 　　れた後では：　・ 自発的対称性の破

L

22

自発的対称性の破れ

法　　　則　：　対称性を守る物理状態　：　対称性を破っている

例：磁性体：

方程式は回転対称。しかしキューリー温度 Tc以下で磁化の方向が揃い、回転対称性が破れている。どの方向が選ばれるかはspontaneous（自然発生的）である。

23

• 真空はヒッグス場で満ちている。• W/Z 粒子やクォーク・レプトンは、ヒッグス場に

　引かれ運動にブレーキがかかり質量をもつ。• 光はヒッグス場と結びつかず質量 = 0 のまま。

クオーク

真空の対称性がある場合

光速 光速

レプトン

現実の世界

W 光速

レプトンクオーク

光速よりも遅い

光速よりも遅い

抵抗抵抗

W 光速よりも遅い

抵抗

ヒッグス場の海

光光 光速

ヒッグス場による質量（重さ）の創生

24

なぜ GSW 理論は画期的か？

・ 1971 年トフーフトが GWS の電弱理論がくりこみ可能であることを証明し、計算の無限大を回避できた。

・ 全ての実験結果とぴったり一致する。「電弱相互作用の量子構造の解明」 1999

G. トフーフト , M. ベルトマン

R. ブラウト , F.　 エングラー ,　P.ヒッグス

注：なぜヒッグス粒子と呼ぶか？1964：スピン１で質量 =0 のゲージ粒子と自己相互作用をもつスカラー粒子があるとき、自発的に対称性の破れが起こると、ゲージ粒子が質量を持つ。これは数学であり、弱い相互作用に応用したのが S.　ワインバーグと A.　サラムである。

言い出したのは P.　 ヒッグスのほか数人いるのになぜか「ヒッグス粒子」と呼ばれるようになってしまった。

現代の周期表

0gluonm

0 m

GeV 91

GeV 80

Z

W

m

m

ヒッグス粒子のみ未発見。この発見が LHC 計画の目的。

26

CERN はウエブ（ Web ）の誕生地

Tim Berners-Lee氏は、実験チームの情報交換のため、 1990

年暮れに Web の開発に成功した。

ＣＥＲＮ研究所　

ジュネーブCERN

CERN

欧州 20カ国による合同研究所1954 年発足、年間予算：１千億円職員数： 2500人、ユーザー : 9000人

27

周長 27km

地下深度～ 100m

2007 年完成

7 + 7 TeV = 14TeV陽子・陽子衝突

(山の手線の周長は約 32km)

LHC （大型ハドロン衝突加速器）

CERN 研究所　 (CERN.wmv)

29アトラス実験

C M S 実験

アリス実験

トンネル周長 26.6 km 　　エネルギー 7 TeV

ルミノシティ (輝度 )1034 cm-2s-1

ダイポール電磁石 1232台

LHCb 実験

LHC の加速器と主な実験装置

超伝導マグネット

1232台の超伝導マグネット（二極）を使って陽子ビームを曲げる。磁場は 8.33 テスラ。

超伝導電磁石の断面図・２つのビームパイプ。・ 1.9 K （ -271℃ ）まで冷やす。

LHC 加速器の建設　 (magnetＴｏＲｉｎｇ .wmv)

32

LHC 計画の進捗状況と近未来予定

• 2006.11 最後の LHC超伝導マグネット納入。• 2007.2 LHC超伝導マグネットの検査を終了した。• 2007.4 LHC の８分の１の 1.9 K冷却に成功した。 LHC超伝導マグネットが全て地下運搬された。• 2008.8.8 ビーム入射（時計回り）に成功した。• 2008.8.22 ビーム入射（反時計回り）に成功した。• 2008.9.10 ビームの LHCリング一周に成功（世界に放映）。

• 2008 .10-11 10 TeV の陽子・陽子衝突実験を開始する .• 2009.春 14 TeV の陽子・陽子衝突実験を開始する。

ビーム状況　http://lhc-first-beam.web.cern.ch/lhc-first-beam/Welcome.html 　

2008.9.10 ビームの LHCリング一周に成功（全世界放映）

ビーム状況　http://lhc-first-beam.web.cern.ch/lhc-first-beam/Welcome.html 　

http://cdsweb.cern.ch/record/1125916 ←クリックして上映

2008.9.10 ビームの LHCリング一周に成功（世界に放映）。

ビーム状況　http://lhc-first-beam.web.cern.ch/lhc-first-beam/Welcome.html 　

ビームの位置モニター（らしい）　１周分青（時計回り）に約１時間赤（反時計回り）に３時間

アトラス実験で見えた最初のビームイベント2008.9.10 10.19.10 CEST

36地下実験室で建設中のアトラス実験装置　　 2005年 11月

（超伝導ソレノイド＋中央カロリメターを中心に移動する直前）

アトラス実験の建設　(ATLAS_construction.wmv)

38

アトラス実験の年間データ量　　　 5 PB 　 (ペタバイト =1015 バイト )

世界に分散する計算機センターに送る。

　グリッド　

使う計算機が自動的に割り当てられる。

39

ヒッグス粒子発生のシミュレーション

p　p　→　H　→　Z　Z　→　μ+　μ-　μ+　μ-　(yellow　tracks).

ヒッグス粒子発見はいつか？発見可能性はヒッグス粒子の質量 mH に依存する。

１年後

２年後

３年後積分

強度

（ル

ミノ

シテ

ィ）

　fb

-1

ヒッグス粒子の質量 mH (GeV) 100 200 500 1000

ただし加速器の調子に依る。

階層性問題

ヒッグス粒子の質量　 mH 　は大きな量子効果を受ける。

プランクエネルギー 1019 GeV まで新物理がない場合は、

　 mH の量子補正 = 1,000,000,000,000,000,000 GeV

mH = 200 GeV

クォークやゲージ粒子には問題ない。41

HHH H

VV

42

超対称性粒子超対称性： フェルミ粒子（スピン 1/2 ）とボーズ粒子（スピン 0,1 ）

を入れ変えても自然は変わらない。ヒッグス粒子の質量の大きすぎる量子補正をキャンセルでき

る。　　　　　　　　　　　　　　

さらに未知の世界へ挑戦

未発見！またバブル再来か？！

43

暗黒物質22 %

宇宙背景放射(WMAP)

銀河の回転速度暗黒エネル

ギー　 74 %

光を出す通常物質 4 %

最近分かってきた宇宙の組成

銀河団の運動超新星の観測

44

暗黒物質の３次元分布図（重力レンズ効果を観測）

衝突した２つの銀河団　　赤色：見える物質　　青色：暗黒物質

暗黒物質（ダークマター）

特徴・ 光を出さない ->中性。・ （ほとんど）他と交わらない。・ 重さを持つ。・寿命は宇宙年齢以上。

45未発見！

暗黒物質の候補

ニュートラリーノ

ビッグバン中に暗黒物質の生成・消滅反応が凍結する。その時の宇宙膨張率と反応率から暗黒物質の残存量が計算できる。観測される暗黒物質の量は、暗黒物質の粒子質量が１ TeV 程度であることを示唆している。→　ＬＨＣで生成できる！

46

1 TeV付近に超対称性粒子群があれば、３つの力が 1025 eV付近で一点に交わる！　　

LHC で到達できる部分

観測値

大統一理論

47

BigBang 現在

磁力

電気力

弱い力

強い力

地上重力

天体重力重力

ＱＣＤ

弱い相互作用

ＱＥＤ電磁力電弱理論

大統一理論

理解できた領域

ヒッグス粒子

SUSY 粒子

余剰次元（ Large Extra Dimension ） 階層性問題の新解決策

エネルギー

　力

の強

さ　 他の３つの力

４＋２次元の重力

電弱スケール プランクスケール1016

ニュートン重力

・重力のみ余剰次元にはみ出す。・余剰次元が 0.1mm だと、 TeV領域で他の３つの力と同じ強さになる。・マイクロブラックホールが LHC で生成される？

LHC で 10-12秒後までさかのぼる！

50

• 人類はメンデレーエフの周期表から 100 年余を経て、より根源的な周期表にたどり着いた。しかし１つだけ穴がある。

• 標準理論は量子色力学と電弱理論からなり、 ３つの相互作用を正確に記述する。粒子の質量はヒッグス場によって作られ、ヒッグス粒子が存在するはずである。

• LHC では 14TeV の陽子・陽子衝突を実現しヒッグス粒子を発見する。 LHC 加速器と実験装置を１５年かけて完成した。

• ３日前（ 2008 年 9 月 10 日）に LHC ビーム数周に成功した。

• 標準ヒッグス粒子を 1 ～ 3 年で発見する。超対称性粒子や余剰次元など新しい物理を探索し力の統一を目指す。暗黒物質が何か解明する可能性が高い。

• LHC は宇宙開闢から１兆分の１秒の頃の物理法則を研究する。

ま　と　め