フロンティア加速器で目指す素粒子物理の深化

フロンティア加速器で目指す素粒子物理の深化
エネルギー・フロンティア 加速器を用いたアプローチ
太陽・宇宙線を利用した アプローチ
大強度・フロンティア 加速器を用いたアプローチ
基本法則 素粒子の構造
原子炉・放射性物質を
用いた アプローチ 宇宙観測からの アプローチ その他の アプローチ
素粒子物理の様々な手法
1 山下 了 [email protected]­‐tokyo.ac.jp
素粒子物理の歴史とこれから
1970年-2000年頃
素粒子物理学の発展の歴史
超弦理論?
クォーク・レプトン
これからの
素粒子物理
20世紀初頭
相対性理論
1960年-2000年頃
ゲージ理論
現
在
場の量子論
超対称性?
暗黒物質?
1930年頃
標準理論
隠れた次元??
1960年à
20世紀初頭
量子力学
複合ヒッグス??
ヒッグス機構
2012年 à
新たな謎??
これからの基礎物理研究
新たな船出 新たな挑戦・新たな研究
S. Yamashita 大統一理論?
今が研究を始めるベストタイミング 2 エネルギーフロンティア
フロンティア加速器
大強度フロンティア
J-­‐PARC@東海村 中エネルギー・大強度加速器
L H C @CERN 最高エネルギー陽子コライダー superKEKB@つくば(建設中) 中エネルギー・大強度電子コライダー
I L C(計画中) 最高エネルギー電子コライダー サイクロトロン@PSI(スイス) 低エネルギー・大強度加速器
3
ATLAS+CMS seminar at CERN at the 4th July, 2012
(ç Japanese news paper)
PLB 716 (2012) 1-29 ATLAS
PLB 716 (2012) 30-61 CMS
Higgs discovery paper
(special edition)
2013年
4
小柴先生のスライド(2009)より
u, u, u,
d, d, d,
L
L
L
L
L
L
eL
νeL
c, c, c,
s, s, s,
L
L
L
L
L
L
t, t, t,
b, b, b,
L
L
µL
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u, u, u,
d, d, d,
R
R
R
R
R
R
eR
νeR
1st%Family%or%
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L
L
L
L
τL
ντL
c, c, c,
s, s, s,
R
R
R
R
R
R
µΡ
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2nd%%Family%or%
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t, t, t,
b, b, b,
R
R
R
R
τR
ντR
3rd%Family%or%
τ.Family%
R
R
4"Interac*ons"and"
4"media*ng"Bosons"
%
%
Strong% Interac7on% on%
colored%Quarks%and%%
Gluons,%g."
%
E.M% interac7on% on%
charged% par7cles% and%
Photon,%γ.%
%
Weak% Interac7on% and%
Z0,W+8."
%
G r a v i t a 7 o n a l%
Interac7on%on%all%and%
Gravitons.%%
%
%
ほぼ全ての素粒子と結合し、区別し、質量をもたらす「ヒッグス粒子」
標準理論とそれを超える理論で異なる結合
à 新物理の研究の大きな入り口
世代を区別
u, u, u,
d, d, d,
L
L
L
L
L
L
eL
νeL
u, u, u,
d, d, d,
R
R
R
R
R
R
eR
νeR
1st%Family%or%
e.Family%
c c c
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t t t
b b b
c c c
s s s
t t t
b b b
4"Interac*ons"and"
,
,
,
,
,
,
4"media*ng"Bosons"
%
L,
L,
L,
L,
L,
L,
%
L
L
µ
τ
Strong% Interac7on% on%
L
L
νµ
ντ
右系と左系を結びつける
colored%Quarks%and%%
(湯川結合)
Gluons,%g."
ヒッグス粒子
%
E.M% interac7on% on%
R,
R,
R,
R,
R,
R,
charged% par7cles% and%
R,
R,
R,
R,
R,
R,
Photon,%γ.%
%
µΡ
τR
これまでにない
Weak% Interac7on% and%
νµR
ντR
新たな「力」
Z0,W+8."
%
2nd%%Family%or%
3rd%Family%or%
G r a v i t a 7 o n a l%
µ.Family%
τ.Family%
Interac7on%on%all%and%
Gravitons.%%
%
真空に満ちる(自己結合)
%
L
L
L
L
L
L
LEP measurements
Martin, hep-ph/9709356
60
without SUSY
U(1)
50
40
SU(2)
α
-1
30
20
10
0
2
Unification
SU(3)
4
with SUSY
6
8
10
12
14
Log10(Q/GeV)
Energy Scale 10N (GeV)
大統理論?
16
18
真空の相転移・自発的対称性の破れ
宇宙開闢から1兆分の1秒後の再現
ヒッグス
軽元素合成 (中性子寿命、小林益川)
クォーク レプトン ゲージボソン
暗黒物質?
DIRECTIONS
1019GeV
Planck scale
1016GeV?
1014GeV?
Composite?
(New Interaction)
GUT? SUSY breaking?
Inflation?
Right-handed?
Heavy neutrino?
1000GeV SUSY?
100GeV
SM
Dark matter?
H, W, Z, leptons, quarks
現在の素粒子物理実験の目指すもの
エネルギーフロンティア加速器
粒子検出器
大強度フロンティア加速器
3世代フェルミオン混合・CP
新たな素粒子を直接生成・測定
最も軽いニュートリノの全容解明 ヒッグス粒子の全容解明 新たな(ステライル)ニュートリノはいるか? MNS(牧・中川・坂田)行列のユニタリー性 レプトンのCPの破れ ヒッグス場の構造(いくつの場か?) 真空の安定性(トップクォーク+ヒッグス) 自発的対称性の破れの原因(自己結合) 質量の起源(湯川結合) 宇宙の相転移で何が起こったか? 最も重いトップクォークの全容解明 新たな(第四世代)フェルミオン? 複合模型・新たな力? 質量の精密測定(真空の安定性) 100 GeV à TeV スケール の新粒子探索 ダークマター(宇宙の暗黒物質)探索 超対称性(自然の新たな対称性)? 複合ヒッグス(新たな力の存在)? 余剰次元(5次元)? ヒッグス場の真空凝縮の原因は? 超精密測定実験で標準理論を超える B-­‐ハドロンの超稀崩壊探索・測定実験 ミューオンの超稀崩壊探索実験 中性子・ミューオンの電気双極子能率測定
目指す素粒子物理の深化 自然の新たな対称性・構造の決定 物質・反物質の非対称性の原因 大統一理論(クォーク・レプトン統合+力の統一) 究極の目標:重力を含めた超大統一理論の完成 現在の素粒子物理実験の目指すもの
エネルギーフロンティア加速器
粒子検出器
大強度フロンティア加速器
3世代フェルミオン混合・CP
J-­‐PARC加速器 新たな素粒子を直接生成・測定
最も軽いニュートリノの全容解明 ヒッグス粒子の全容解明 ATLAS測定器
ヒッグス場の構造(ヒッグス場の構造) 新たな(ステライル)ニュートリノはいるか? MNS(牧・中川・坂田)行列のユニタリー性 スーパーカミオカンデ(現行) レプトンのCPの破れ ハイパーカミオカンデ(計画)
真空の安定性(トップクォーク+ヒッグス) 自発的対称性の破れの原因(自己結合) 質量の起源(湯川結合) 宇宙の相転移で何が起こったか? 最も重いトップクォークの研究の全容解明 [email protected]­‐PARC(東海村)+神岡
新たな(第四世代)フェルミオン? 複合模型・新たな力? 半導体検出器
質量の精密測定(真空の安定性) 100 GeV à TeV スケール の新物理探索 L H C ダークマター(宇宙の暗黒物質)探索 (8TeVà13TeV-­‐14TeV) 再稼働@CERN 超対称性(自然の新たな対称性)? LHC加速器 超精密測定実験 複合ヒッグス(新たな力の存在)? B-­‐ハドロンの超稀崩壊探索実験 余剰次元(5次元)? ミューオンの超稀崩壊探索実験 ヒッグス場の真空凝縮の原因は? BELLEàBELLE-­‐[email protected] superKEKB
中性子・ミューオンの電気双極子能率測定
LHC−Data GRID
ILC加速器
目指す素粒子物理の深化 自然の新たな対称性・構造の決定 物質・反物質の非対称性の原因 大統一理論(クォーク・レプトン統合+力の統一) MEG検出器
I L C 国際リニアコライダー計画 MEGàMEG-­‐[email protected] 究極の目標:重力を含めた超大統一理論の完成 世界での主要「フロンティア加速器素粒子実験」と東大物理
•  エネルギーフロンティア加速器実験 (コライダー実験)
–  陽子・陽子コライダー LHC (Europe/US/Japan..) ATLAS* / CMS
–  電子・陽電子コライダー ILC (計画: world)* ILD* / SiD
•  大強度(インテンシティー)フロンティア加速器実験
–  電子・陽電子コライダー superKEKB(Japan)* BELLE-II *
–  固定標的型 J-PARC(Japan)・FNAL(USA)・PSI(スイス)
•  ニュートリノ T2K
* à HyperK (計画)* , [email protected] àDUNE(計画) •  ミューオン (MEG実験à[email protected]*, J-PARC*/US: µàe, 磁気能率)
•  中性子 (電気双極子EDM)@PSI, TRIUNF, J-PARC(寿命・EDM(計画))*
•  K中間子 (CP-violation, 超稀崩壊測定)@J-PARC / CERN
*印 = 東京大学が中心グループとして参画しているもの
フロンティア加速器での素粒子物理研究 研究の現場は世界中にある
DESY@ハンブルグ
KEK@つくば
加速器開発 テストビーム
SLAC
@スタンフォード
加速器開発
CERN@ジュネーブ
FNAL@シカゴ
PSI@スイス
J-PARC@JAEA(東海村)
大学院学生が主力となり 世界とともに最前線で研究
加速器開発 ニュートリノ テストビーム
フロンティア加速器での素粒子物理研究の現場 大規模実験の例
Thin Gap Chamber superKEKB @ KEK BELLE II 実験
東大・KEK・神戸大・イスラエル等 LHC @ CERN ATLAS 実験
東京大学 地域解析センター
J-­‐PARC @ 東海 T2K 実験
フロンティア加速器での素粒子物理研究の現場 中小規模実験の例
MEG/MEG-­‐II @ PSI µà e + γ 崩壊探索実験
J-­‐PARC MLF / BL05 中性子寿命 測定実験
フロンティア加速器での素粒子物理研究の現場 加速器・検出器開発
加速器開発の例
•  加速器開発 •  測定器・データ収集・分 測定器開発の例 KEKBàsuperKEKB @ KEK BELLEàBELLE II 実験測定器
ATF / STF @ KEK ILC 計画 超電導加速器・ビーム測定
ニュートリノ 実験測定器
フロンティア加速器での素粒子物理研究の現場 物理解析の例
日本学術会議 科学・夢ロードマップ 2011年より 素粒子物理分野
%
%
2010
2020 2030
(1012)
10)10
10)12
1025
!!10)34
1027
10)43
%
!
!
!
TeV
!
!
%
!
!
θ13
!
!
!
!
!
CP
!
%
!
!
!
?!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
!
!
!
!
2010
!
!
!
!
!
!
!
2020 2030
LHC!!
%
SuperKEKB/Belle!II
J)PARC!
Web!
(ν)
ν
!
!
!
!
%
!
LHC
KEKB/Belle!
T2K
%
!
!
!
!
!
!
IT
!
!
!
物理・実験施設の面:ベストタイミング
•  2010年から2015年5月現在の間の大きな進展 –  ヒッグス粒子発見 à いよいよヒッグスを用いた新物理研究がスタート
–  SuperKEKB計画が承認されアップグレード中(2016年度稼働予定)
–  ニュートリノの重要な混合角(q13)が測られた à 次世代の研究がスタート
–  MEG-II実験、COMET実験が承認され建設がスタート
–  ILC計画の国際技術開発・設計で加速器の技術設計書が完成
–  LHC加速器の8TeVから13TeVへの増強が完了 再稼働
•  現在稼働中:フロンティア加速器が日本と欧州で稼働中 CERN LHC(ジュネーブ), J-­‐PARC(東海村), PSI(スイス) •  増強・建設中(検出器・建設・物理解析) –  LHC (8à13TeVで再稼働à14TeV、将来は強度増強を予定) –  superKEKB (2017年には物理実験開始) –  J-­‐PARC (強度増強300à750KWへ) MEG-­‐II(PSI) COMET@J-­‐PARC •  次世代フロンティアの設計・計画 (加速器・測定器開発):次世代の研究の場 –  電子・陽電子エネルギーフロンティア計画 ILC in Japan –  次世代ニュートリノ計画 HyperK in Japan, [email protected]