素粒子物理・原子核物理分野の「大型施設計画・大規模研究計画に関するマスタープラン」に関するシンポジウム

ILC計画 2016年2月12日＠日本学術会議講堂

九州大学 理学研究院・先端素粒子物理研究センター 川越 清以

1 ©Rey.Hori/KEK

International Linear Collider

2

全長31km

ダンピングリング

主線形加速器

主線形加速器

電子ビーム

e+e−衝突エネルギーフロンティア 250-500 GeV & 1 TeV Upgrade

陽電子源

国際リニアコライダー

l 構造を持たない素粒子とその反粒子の対消滅 l 線形加速器➡エネルギーの拡張性 l ビームエネルギー・偏極度をコントロール

電子源

わかりやすい反応 正味の衝突エネルギーが既知

Center-of-mass energy: 250-1000 GeV

多くの反応が同時に起こる パートンの衝突エネルギーが不明 Center-of-mass energy: 7-14 TeV

pp

LHC: ハドロンコライダー

e+ e−

ILC: レプトンコライダー

最高エネルギーのコライダー

3

どちらも必要。相乗効果で自然を解明•  W/Zの発見(SppS)⇒精密測定(LEP)•  Top質量の予測(LEP)⇒発見(Tevatron)•  ヒッグス予測(LEPなど）⇒発見（LHC)•  ヒッグス、Top測定（LHC)⇒超精密測定(ILC)•  BSM発見（LHC)？？⇒精密測定(ILC)•  LHCで発見しづらい新粒子をILCで発見

ー

素粒子物理は新たな革命の時代へ

4

2013年シンポジウムのスライドから

ヒッグスの発見で素粒子の標準模型は一応の完成。しかし、標準模型を超える新物理は必ずある。è新物理を発見、解明することがILCの使命

ILCが圧倒的に優れているところ

5

e−

e+

ビーム エネルギーと偏極度を コントロールできる Pelectron = ±80% Ppositron = ±30%

反応の素過程 LEPで十分理解されている 理論の不定性 <1%

粒子の生成 ヒッグス トップクォーク 新粒子、たとえば

ダークマター などの可能性

γ/Z/Z’ … Recoil info

質量、スピン/CP, 結合定数などの決定 新しい物理と新しい基本原理の発見

検出・測定 低バックグラウンド 超細分化されたセンサー データは全部とる

Chapter 2. Higgs Boson

(GeV)s200 250 300 350 400 450 500

Cro

ss s

ectio

n (fb

)

0

100

200

300

400=125 GeV

h)=(-0.8, 0.3), M+, e-P(e

hfSM all fZhWW fusionZZ fusion

=125 GeVh

)=(-0.8, 0.3), M+, e-P(e

Figure 2.4.7: Production cross section for the e+e� ! Zh process as a function of thecenter of mass energy for mh = 125 GeV, plotted together with those for the WW and ZZfusion processes: e+e� ! ⌫⌫H and e+e� ! e+e�H.

experimental uncertainties due to bremsstrahlung. It should be noted that it is thecapability to precisely reconstruct the recoil mass distribution from Z ! µ+µ� thatdefines the momentum resolution requirement for an ILC detector.

The reconstructed recoil mass distributions, calculated assuming the Zh is pro-duced with four-momentum (

ps, 0), are shown in Fig.2.4.8. In the e+e�X channel

FSR and bremsstrahlung photons are identified and used in the calculation of thee+e�(n�) recoil mass. Fits to signal and background components are used to extractmh. Based on this model-independent analysis of Higgs production in the ILD de-tector, it is shown that mh can be determined with a statistical precision of 40 MeV(80 MeV) from the µ+µ�X (e+e�X) channel. When the two channels are combinedan uncertainty of 32 MeV is obtained [71,72]. The corresponding model independentuncertainty on the Higgs production cross section is 2.5 %. Similar results were ob-tained from SiD [73]. It should be emphasized that these measurements only usedthe information from the leptonic decay products of the Z and are independent ofthe Higgs decay mode. As such this analysis technique could be applied even if the

42 —DRAFT— Last built: February 18, 2013

ILCでのヒッグス粒子精密測定（３段ロケット）

Z⇤

Z

H

e�

e+

W�

W+

H

e�

e+

⌫

⌫̄

WW fusion dominates at high energies

Higgs-strahlung peaks around 250 GeV

6

Z⇤

Z

H

e�

e+

H

H

W�

W+

H

e�

e+

⌫

⌫̄

H

H

Step3: ヒッグス自己結合@ 500-1000 GeV

Step1: 質量, 生成断面積σ（ZH）, 崩壊分岐比 @ 250 GeV Step2: WW fusion を用いた全崩壊幅測定 @ 500 GeV

Hig

gs C

oupl

ing

Dev

iatio

n fro

m S

M

-15

-10

-5

0

5

10

15

Hig

gs C

oupl

ing

Dev

iatio

n fro

m S

M

-15

-10

-5

0

5

10

15

[Ref. arXiv:1310.0763]ILC Projection-1 500 GeV, 1600 fb⊕ -1250 GeV, 1150 fb

= 1.5 TeV)fMCHM5 (

%

%

%

%

%

%

%t b τ c Z W

Hig

gs C

oupl

ing

Dev

iatio

n fro

m S

M

-15

-10

-5

0

5

10

15

Hig

gs C

oupl

ing

Dev

iatio

n fro

m S

M

-15

-10

-5

0

5

10

15

[Ref. arXiv:1310.0763]ILC Projection-1 500 GeV, 1600 fb⊕ -1250 GeV, 1150 fb

= 700 GeV)A = 5, MβMSSM (tan

%

%

%

%

%

%

%t b τ c Z W

Supersymmetry (MSSM)

Composite Higgs (MCHM5)

ヒッグス粒子: 素粒子か、複合粒子か？

ILC 250+500 LumiUp•  標準理論を超える効果が≦1%でわかる •  ズレのパターンによって新物理のモデルを識別可能

7

ヒッグス粒子精密測定で新物理に迫る

Δ（αs/π）＝　0.4%　Δmb/mb<0.7%　　　

ダウン型フェルミオンが上ズレ

全体が下にズレる

Higgs 自己結合

HH

W,Z

(VVH coupling)2

HW,Z

VVHH coupling

干渉するダイアグラム

1.  断面積は小さい O(100) events

2.  干渉するダイアグラムのために感度が下がる

λの測定　　O(10)% 現在詳細研究中　

h�

h�

v�

λ�

h�

λ�

h�

h�

h�

h�

hhh coupling�four-point coupling�

ヒッグス粒子が終状態に２個

電弱対称性の破れの解明　ヒッグスポテンシャルの形状 電弱エネルギースケールでの宇宙のバリオン生成に関与　

8

SM/SUSY

トップクォークの精密測定 (1) 質量(MS)精密測定　エネルギースキャン　⇒　真空の安定性 (2) ビーム偏極と4 運動量保存　⇒　　left/right-handed couplings.

Deviation in ttZ coupling

LHC

ILC

SM/SUSY

LHC, Ref. arXiv:1311.2028 ILC, Ref. arXiv:1307.8102

⇒　５0 MeV

⇒　15 MeV

複合ヒッグス模型の識別

ΔMt(1s)=50MeV ΔMH=30MeV

ILC 3σ

9

新粒子：暗黒物質探索 @ ILC •  ヒッグス粒子が暗黒物質に崩壊

–  mDM < 0.5mHの場合に探索可能 –  Br(H→inv.)<0.4% (@250GeV, 1150fb-1)

•  ISR photonによる探索（mono-photon events) –  モデルに依存しない探索 –  mDM < 0.5(ECM−Eγ) の領域まで探索可能

Recoil Mass [GeV]100 110 120 130 140 150 160

Eve

nts

/ 2

[G

eV

]

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600 ZZWW

ZiiWieHii

qqHi4AqqH,H

invisible BF 10%AH

SimulationILD = 250 GeVs

) = (+0.8,-0.3)+,e-pol(e-1250 fb

Recoil Mass [GeV]100 110 120 130 140 150 160

Eve

nts

/ 2

[G

eV

]

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Higgs invisible decay 10

Mono-photon events

11

軽い超対称性粒子の探索

LSP Bino-like M1　<　M2,　µ Wino-like M2　<　M1,　µ Higgsino-like µ　<　M1,　M2

Higgsino like

ＮＬＳＰとＬＳＰの質量差がない場合が重要。 ILCはその場合でも探索可能

Higgsino-likeWino-like

Bino-like

(M1, M2, µ, tanβ) point is randomly chosen 0.05<M1,M2,µ<2 TeV, 1<tanβ<70

ISRphoton+soFparGcles

12

ILC加速器概要(TDR)

電子源

陽電子・主線形加速器

陽電子源

電子・主線形加速器

物理実験・粒子検出器

減衰リング

パラメータ� 数値�

重心エネルギー � 500GeV�

全長� 31km�

ビーム輝度� 1.8x1034cm-2s-1�

繰り返し周波数 � 5Hz �

ビームパルス長 � 0.73ms �

平均電流� 5.8mA(inpulse) �

衝突点ビームサイズ� 5.9nm �

超伝導加速電界共振特性�

31.5MV/mQ0=1x1010�main linacbunch

compressor

dampingring

source

pre-accelerator

collimation

final focus

IP

extraction& dump

KeV

few GeV

few GeVfew GeV

250-500 GeV

ナノビーム技術

超伝導高周波加速技術

鍵を握る技術

13

技術設計書完成後（前シンポジウム後）の技術進展

•  ナノビーム技術： 　KEK-ATF2:ビーム最終収束で、44nmを達成（目標は37nm）‒  ILCのエネルギー(250GeV)では、7nmの達成に相当（設計値は6nm）

•  超伝導高周波(SRF)技術 ：　EuropeanXFEL:‒  SRF空洞（~100%）製造・試験を完了(2015.12)。加速電界（平均）、30MV/mに迫る。‒  クライオモジュール（8台連結ユニット）の>70%を完了。性能安定性、成熟

　Fermilab：‒  クライオモジュール性能、ILC仕様値を達成:　平均電界>31.5MV/m

　KEK:‒  超伝導RF試験施設での加速空洞モジュール試験、ビーム加速試験（2016年度目標）‒  ８空洞連結クライオモジュールで、平均電界 >31.5MV/mでのビーム加速を目指す。

•  ILC加速器設計　LCC:　性能・コスト最適化　（MEXT-ILC有識者会議での議論を迅速に反映）‒  衝突点実験ホールへのアクセス方法à 立て坑‒  メインライナック・トンネルを、1.5km延長。設計エネルギー到達信頼性の向上

ATF(Acc.TestFacility):ILCと同じビーム光学設計による技術検証目標 ビームサイズ： 5.9nmat250GeV(ILC)à37nmat1.3GeV(ATF)に相当技術進展：　~300nm(in2010)à~150nm(in2012)à≤44nm(in2014)実現 　

KEK-ATFによるナノビーム技術の検証

ILC ATF2

BeamEnergy[GeV] 250 1.3

L*(IPtoFF)[m] 4.0 1.0

β*[mm] 0.48 0.1

Emibance(v)[pm] 0.07 12

FFBeamSize[nm] 5.9 37

ILCでのビーム収束光学をATFで検証

main linacbunchcompressor

dampingring

source

pre-accelerator

collimation

final focus

IP

extraction& dump

KeV

few GeV

few GeVfew GeV

250-500 GeV

14

Recent Progress with EU-XFEL

15

17th International Conference on RF Superconductivity Detlef Reschke, DESY

欧州自由電子レーザ 施設の建設 (17.5 GeV)

1.3 GHz / 23.6 MV/m 808 SRF acc. Cavities 101 Cryo-Modules (CM)

Acc. : ~ 1/10 scale to ILC-ML’s SRF system: ~ 1/20 to ILC SRF’s

進捗: 2013: 建設開始 2015: SRF空洞(100%) 完成 CM (70%) 進捗

計画: 2016: E-XFEL 加速器完成 2017: 自由電子レーザ実験開始

XFEL

DESY

XFEL site DESY

Media.xfel.au, Dec. 2015

1 km SRF Linac

SRF 空洞製造・試験状況；　

　空洞台数, 738 台 (2015/9現在) •  製造企業： RI and EZ (1/2 each)•  性能評価試験：DESY

　RI: “電解研磨”によって、最終表面処理

　　 (ILC-SRF と同様の処理)　EZ: 化学研磨で最終表面処理　(コスト抑制）

ノート：

•  “電解研磨”が、~10% 高い性能を示す。

•  初回、低い性能を示した空洞を”超純水リンス処理“を行うことで、性能改善（性能が低い空洞に有効）。

E-XFEL:電界性能　（初回試験）

最高到達・電界 利用可能・電界(Q0>1010) (ILC-要求)

RI EZ C RI EZ C ---<G>MV/m 33 29.6 31.4 29.4 26.3 27.7 (35)Yieldat28MV/m

86% 73% 79% 66% 44% 54% (90)

D.Reschke/SRF2015

16

KEK-STF: SRF空洞・クライオモジュール性能 ビーム加速 àJFY2016 (目標)

17

FY14:CM1+CM2a(8+4)組立FY15:CM内での空洞単体性能評価RF分配システム整備FY16:8空洞でのCM性能試験　　　ビーム加速 （目標>250MeV)

*12空洞・平均電界：>31MV/m上位8空洞で：　　34.8MV/m

SRF空洞単体・CM組み込み後の電界性能

Module CM1a CM1b CM2a

Cav.# 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12空洞単体[MV/m] 37 36 38 36 37 35 39 36 12 36 32 32

CM内(pulse)[MV/m]

39 37 35 36 26 16 26 32 18 34 33 32

Gradientstable Degraded Gradientstable

18

目的： 性能目標を保ちつつ、更なる確度・信頼性の向上、コスト効果の高い設計プロセス： 設計変更プロセスの厳密に管理àChangeManagementBoard(CMB)　　　　　　　学術会議、ILC有識者会議での議論、指摘に迅速に対応

TDR以降の設計の進展と設計改訂の統括

課題　 ノート 決定

CR-002 最終ビーム収束パラメータの共通化、L*(4.1m) 信頼性向上 採択

CR-003 ビーム衝突点実験ホールへの竪坑アクセス 加速器・測定器の建設効率化、採択

CR-004 主ライナック・トンネル長、1.5km延伸 500GeV、到達信頼性向上 採択

CR-005 ILC加速器パラメータのアップデート 加速器設計値の確度向上 採択

CR-006 最終収束磁石近辺にビーム位置モニター 採択

CR-007 日本の山岳地域を前提とした設計 TDRオプションの選択・統一 採択

CR-008 ビームオプティクス2015の確定 採択

CR-TBD 主ライナックトンネル中央壁の最適化 、安全指針 ビーム加速中のアクセス無し安全性徹底　

審議中

CR-TBD 冷却システムのレイアウト最適化、安全指針 安全性徹底 審議中

変更プロセス・管理(CMB)

提案à 評価à 決定à 具体化

ILC測定器（ILDとSiD）

19

HCAL

ECAL

TPC

Beam line

VTX SIT FTD

ETD

SET

Return Yoke

Coil

Forward components

~15 m

先進的なテクノロジーの高精細センサーを搭載 •  崩壊点検出器：高精細&低物質量pixel検出器 •  飛跡検出器(TPC)：高分解能&低物質量、

MPGD読み出し •  カロリメータ：超高精細センサー、5mm角

(ECAL)、3cm角(HCAL)

検出器 センサーサイズ ILC ATLAS 精細度比

崩壊点検出器 5×5 mm2 400×50 mm2 800倍

飛跡検出器 1×6 mm2 13 mm2 2.2倍

電磁カロリーメータ シリコン 5×5 mm2 39×39 mm2 61倍

高精細検出器を束ねるParticle Flow Algorithm カロリメータ中で各粒子のヒットを分離し、最も良い分解能を持つ検出器で粒子のエネルギー測定をする事により Jet Energy Resolution 最小化する (荷電粒子àTracker、光子àECAL、中性ハドロンàHCAL)

技術選択à 工学設計à建設à実験開始

ILCTimeLine:ILC実現への時間軸

Assuming(2+)4year　

(Pre-PreparaGon)andPreparaGonPhase

Wearehere,201620

真のグローバルプロジェクトとして国際的に推進

ILCの国際的な位置付け（設計から実現へ）

ILC に対するサポートはヨーロッパ、アジア、米国での戦略においてお墨付きを得ている

加速器技術が成熟しているのはＩＬＣのみ、Circular Collider に関してはLHCよりも高いエネルギーの陽子・陽子衝突の国際的な研究を奨励。

FCCの予算は概算も公開されていないが、ＩＬＣの何倍かであろう。　余程の技術革新がない限り、ＣＥＲＮがいくら頑張ってもFCCの国際的予算獲得は容易でない。 21

Japan Productivity Center Consulting Dept.

22

研究者による国際推進体制

2013年2月21日 リニアコライダー・コラボレーション（ＬＣＣ）発足

国際将来加速器委員会（ＩＣＦＡ）世界の大研究所の所長／研究コミュニティの代表者

Linear Collider Board （ＬＣＢ）議長　駒宮幸男（東京大学）

Linear Collider Directorate （ＬＣＤ） ディレクター　　リン・エバンス　　　　　　　　　　　　　（CERN／LHCの元加速器責任者）

副ディレクター 村山　斉　　　　　　　　　　　　 （東京大学Kavli-IPMU機構長）

ＣＬＩＣ　ＩＬＣの次世代の加速器（R&Dの推進）　スタイナー・スタプネス

ＩＬＣ本設計　マイク・ハリソン

Physics & Detectors物理・測定器 山本均

※日本の中核研究機関：高エネルギー加速器研究機構（機構長：鈴木⇨山内）

ＬＣＣ

23

文部科学省

ILCタスクフォース(2013年設立）

国際リニアコライダー(ILC)に関する有識者会議 （2014〜）

素粒子原子核物理作業部会

（2014〜）

技術設計報告書(TDR)検証作業部会

（2014〜）

人材の確保・育成方策検討作業部会

（2015〜）

文部科学省によるILCの検討

日本学術会議答申(2013)

委託調査（野村総研）(2014,2015)

24

波及効果＋世界の情勢、技術的実現可能性

有識者会議の中間とりまとめ

25

2015年８月に日本語版・英語版を公表。以下は、３つの提言

26

（2016.01.07LC計画推進委員会、山内KEK機構長）

まとめ•  ILC は真にグローバルなプロジェクトであり、国際的に推進されている。

•  ILC は (HL-)LHC に対し相補的・相乗的なプロジェクト –  エネルギー拡張可能, ビーム偏極, エネルギースキャンが強力な手段

•  ＩＬＣでは、バックグラウンドの低いクリーンな実験環境において、

　　ヒッグスボゾンとトップクォークの詳細研究、 新粒子の探索を通じて、

　　標準理論を超える物理の発見が期待されている。

•  ILCの加速器技術は成熟しており、建設できる。–  i.e. 超伝導・高加速勾配RF, 最終収束系

•  日本では調査検討予算が措置され、ホストとなるための公式な検討を文科省が行っている。 これを成功させるためには、国外においても政府・関係省庁においてＩＬＣがpositiveに認知されることが必要。

•  日本では、ＩＬＣ国際研究所建設のための超党派国会議員連盟、先端加速器科学技術推進協議会（産業界）、地方自治体がサポート

27