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 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 プランク質量：

重力相互作用の強さ ( = 微細構造定数) 　　　　　　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： 電弱ゲージ対称性の破れの質量スケール

階層性問題 ＞１０１６ ＧｅＶをカバーする安定な理論を構築できるか？ なぜ なのか？ ＞１０１６　ＧｅＶをカバーする安定な理論を構築できるか？ なぜ　　　　　　　　　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 真に基本的な重力定数 余剰次元のサイズを　　　とすると 　　　　　　の巨視的空間では

“大きな”余剰次元=LED (ADD) 小さな　　　は適当に大きな余剰次元のためであり 　　　は必ずしも小さくない　　　　　　　　　 とおくと のとき

“大きな”余剰次元=LED (ADD) 万有引力の法則の直接検証は 程度 重力相互作用のみ可能な，適当に大きな余剰次元 万有引力の法則の直接検証は　　　　　　　　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 終状態における消失エネルギーの発生 ではブラックホール蒸発 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 （n=1の場合） 終状態における消失エネルギーの発生 　　　　　　　　　　　　　　　ではブラックホール蒸発

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 標準模型の粒子 宇宙項

粒子の真の基本的な質量スケールを とすると ゆがんだ余剰次元（ＲＳ） 粒子の真の基本的な質量スケールを　　　とすると とすると 程度で

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） オーダー１の結合定数　（パラメター＝　　　　　） 標準模型の粒子への崩壊

物質粒子 電荷 2/3 1/3 1 ハドロン バリオン メソン

物質粒子 1 GeV 100 GeV 質量 mN~1GeV/c2

Fermilab Notes 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 （最小）バンチ間隔 = 396 ns (~120 m)， 平均1.7ＭＨｚ 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 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 電子など “T” = transverse   q, g q, g q, g Hadronization 横運動量　　　　（PT=Psin） “横”エネルギー(ET=Esin） 散乱の激しさを 表す “T” = transverse  q, g q, g 素粒子レベル の反応断面積 ビーム軸 q, g Hadronization クォーク・グルーオン のハドロンへの転化。 方向的に集中した 粒子群（ジェット） として観測。 K 

陽子・反陽子衝突 Process Cross-section Rate （1032 cm-2/s の場合） Inelastic pp Inclusive jets (ET>40) ppbb pp→WX →(e)X pp→tt pp→WH (if MH=115GeV) 60000000000 pb 250000 pb 50000 pb 2500 pb 7 pb 0.2 pb 6.0 MHz 25 Hz 5 Hz 0.25 Hz 0.0007 Hz 0.00002 Hz

陽子・反陽子衝突

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 共同実験者数 １９８１．１ １９８４－８５ １９８５．１０ １９８７．１－８７．５ １９８８．６－８９．５ １９９０－９２ １９９２．４－９３．５ １９９３．１２－９５．８ １９９５．１０－９６．２ －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 Run　Ia Run　Ib Run　Ic 検出器増強 立ち上げ Run　II (~20 events) ２５　ｎｂ－１ ４．４　ｐｂ－１ １９　ｐｂ－１ ８０　ｐｂ－１ ７　ｐｂ－１ ～5000　ｐｂ－１ ８７名 １９０名 ３５８名 ～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： 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：

RSグラヴィトン探索：

RSグラヴィトン探索結果：

RSグラヴィトン探索結果：

RSグラヴィトン探索：

まとめ LED排除 @ 95% C.L. RSグラヴィトン排除 @ 95% C.L.