電子・陽電子リニアコライダーで探る素粒子の世界

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1 電子・陽電子リニアコライダーで探る素粒子の世界
岡田安弘（KEK、総合研究大学院大学） ２００５年６月１５日、筑波大学

2 素粒子物理のめざすもの 物質は何からできているか。（基本構成要素） どのような力が働いているか。（基本相互作用）
　物質は何からできているか。（基本構成要素） 　どのような力が働いているか。（基本相互作用） 　宇宙はどのように始まってどのように進化してきたか。 ビッグバン宇宙 「距離」　「エネルギー」　「温度」　「時間」　の関係

3 現在の素粒子像 ＝ 標準模型 １９７０年代初頭の大変革 b t s c d u nt t nm m ne e quark lepton
現在の素粒子像　＝　標準模型 １９７０年代初頭の大変革 b t s c d u quark nt t nm m ne e lepton 物質の基本粒子：　クォークとレプトン 力：　ゲージ相互作用　 弱い相互作用 電磁相互作用 強い相互作用 SU(2) XＵ(1)　ゲージ理論　（光子、Ｗ粒子、Ｚ粒子） ＳＵ（３）ゲージ理論　（グルーオン） ゲージ粒子 力はゲージ粒子によって運ばれる。 まったく違ったように見える三つの相互作用は 同じゲージ理論の枠組みで理解できる。 クォーク・レプトン

4 標準模型の実験的検証 u,d,s e,m,n photon t (SPEAR) bottom gluon W, Z bosons
quark lepton ゲージ原理 ヒッグス機構 （質量生成機構） u,d,s e,m,n photon 1970 標準模型の提案 charm (SPEAR,AGS) t (SPEAR) bottom (FNAL) gluon (PETRA) 1980 W, Z bosons ( ) gluon-coupling (TRISTAN) 1990 top (TEVATRON) gauge-interaction (SLC, LEP) 2000 ＣＰの破れ関する 小林　益川　機構 (KEKB, PEP-II) 実験的には未検証

5 標準模型を超える物理のヒント 新しい相互作用や時空の概念の変革の可能性 Energy Time Temp. SUSY GUT
Superstring See-saw neutrino Electroweak phase transition Inflation 100 GeV Strong int. EM int. Gravity Planck energy Weak int. 電弱対称性の破れを引き起こす力は 三つの力の統一は統一されるか ニュートリノの質量の起源は 宇宙の暗黒物質の正体は 宇宙はなぜ物質でできていて反物質 は消えたか 新しい相互作用や時空の概念の変革の可能性

6 ILC (International Linear Collider)
最高エネルギー電子陽電子コライダー 　第一期　５００GeV まで　=>　第二期で１TeV ぐらいに増強 高ルミノしティー　10^34/cm^2/s 以上　 　　　(～10^5　個の軽い ヒッグス粒子生成） 実験開始時期　２０１０年代中ごろ 　　　(LHC 実験と重なる）　　

7 電子陽電子コライダーとハドロン加速器 J/y (charm), t, gluon J/y (charm), b, W, Z, t
粒子の発見 J/y (charm), b, W, Z, t Gauge principle　（LEP/SLC) CP violation　（B factory) 相互作用の詳細な 研究 LHC (2007- ) 将来の加速器 ILC 素粒子物理を進めるために両方の特徴を生かすことが必要

8 ILCの物理 電弱対称性の破れの物理(ヒッグス物理） New Physics の直接・間接探索 トップクォーク、ゲージボソンの物理
目的とする物理の対象は　LHCと同じ。 謎を解くにはLHCとILC の両方が必要。

9 ILC物理の３つの重要な例 素粒子の質量はどのように生じているか （ヒッグス粒子の物理） 三つのゲージ力は大統一されるか
　（ヒッグス粒子の物理） 三つのゲージ力は大統一されるか 　（超対称大統一理論） 暗黒物質の正体は何か 　（超対称暗黒物質）

10 （１） ヒッグス粒子の物理 なぜ弱い相互作用は弱いのか？ 物質から放出された W粒子は
（１）　ヒッグス粒子の物理 なぜ弱い相互作用は弱いのか？ 　　物質から放出された　W粒子は 　　真空に詰まっているヒッグス場と　　の相互作用によって質量を持つため短距離力になる。 Ｆｅｒｍｉ定数と真空期待値の関係 ：　ヒッグス場の真空期待値 W 粒子

11 W、Z粒子だけでなく、クォークやレプトンもヒッグス場との相互作用によって質量を持つ。
ヒッグス場の量子としてヒッグス粒子が存在する。 　(最も簡単な場合は中性粒子ひとつ） ヒッグスの物理の目標 （１）　ヒッグス粒子の（候補）の発見 （２）　ヒッグス粒子と　W、Z　粒子、クォーク、レプトンとの 　　　結合定数の測定　（素粒子の質量生成機構） （３）　ヒックス機構の背後にあるダイナミックスを解明する。　 　　　　（超対称性？　複合粒子？　）

12 ヒッグス粒子の質量 素粒子は質量は大きいほど、ヒッグス場との結合力は大きい。
ヒッグス粒子の質量もヒッグス場自身の自己相互作用が大きいほど大きくなる。 ヒッグスの質量は標準模型を超える物理への手がかり。　

13 標準模型がそのままプランクスケールまで変更をうけないと。

14 超対称模型などでは… MSSM = Minimal Supersymmetric Standard Model

15 ヒッグス粒子の質量に関する実験的制限 ＬＥＰ実験による直接探索 電弱相互作用の精密測定による間接的制限 Ｚ粒子 陽電子 Ｚ粒子 電子
LEP EW Working Group

16 ＬＨＣ実験におけるヒッグス粒子探索 ＬＨＣ　実験：　ＣＥＲＮで２００７年に実験開始される最高エネルギー実験。　重心系のエネルギーが１４ＴｅＶ（１４０００ＧｅＶ）の陽子・陽子衝突加速器。 ヒッグス粒子の発見が主要な目的のひとつ。 ヒッグス粒子探索はヒッグス粒子の質量領域によって異なる。 生成過程：　gluon fusion, WW fusion 崩壊過程：　できるだけ重い粒子に崩壊 陽子 陽子 Ｗ粒子 グルーオン ヒッグス粒子 ヒッグス粒子 Ｗ粒子 陽子 グルーオン 陽子

17 LHC では標準模型のヒッグス粒子は必ず見つかるはず
ＬＨＣ実験（ＡＴＬＡＳ）での ヒッグス粒子発見 LHC でのヒッグス粒子の発見の例 標準模型のヒッグス粒子　mH= 130 GeV LHC では標準模型のヒッグス粒子は必ず見つかるはず

18 LC におけるヒッグスの物理 ＬＣ実験におけるヒッグス粒子シグナル １０万個のヒッグス粒子生成 スピン、パリティーの決定 質量の精密測定
分岐比、生成断面積の精密測定 ヒッグス粒子 Ｚ粒子 ヒッグス粒子とほかの素粒子の結合常数の決定 素粒子の質量生成機構の解明

19 ヒッグス粒子の結合定数は数％の精度で決められる。
質量と結合常数の関係 GLC Project リニアコライダー では、ゲージ粒子、 クォーク、レプトンと ヒッグス粒子の結合定数は数％の精度で決められる。 （LHC から一桁 以上の進歩） ヒッグス自己相互作用 の測定

20 ヒッグス粒子の測定のインパクトの例 ヒッグスの分岐比の測定により超対称模型 の重いヒッグス粒子の質量をさぐる。
２ヒッグス模型で電弱相転移でのバリオン 数生成とヒッグス３点相互作用の関係 S.Kiyoura and Y.Okada, ACFA Report S.Kanemura,Y.Okada,E.Senaha

21 (２)超対称大統一理論 三つのゲージ結合定数の統一 SU(3),SU(2),U(1)　の三つのゲージ相互作用をSU(5)やSO(10)に高いエネルギースケールで統一する。 ９０年代のLEP/SLC実験でゲージ結合定数の精密決定 　→　超対称理論のときはうまく 　　　いく SUSY GUT SUSY 粒子の無い場合

22 超対称模型 （SUSY） W,Z,g,H gluon lepton quark neutralino, chargino gluino
超対称粒子 通常の粒子 W,Z,g,H gluon lepton quark neutralino, chargino gluino slepton squark 超対称性　ボソンとフェルミオン間の対称性　　相対論の拡張 通常の粒子に対して超対称パートナー粒子が存在。 最も軽いSUSY粒子は安定。 　　宇宙の暗黒物質の有力候補。 超対称大統一理論の検証 （１）　超対称粒子（の候補）の発見 （２）　超対称性の関係式の実証 （３）　大統一理論の予言の検証

23 LHC 実験でのSUSYの探索 グルイーノ ２．５TeV スクォーク ２．５TeV Missing energy signal によって
mSGURA グルイーノ　２．５TeV スクォーク　２．５TeV Missing energy signal によって スクォーク、グルイーノが ２－３ TeV までSUSY 粒子の 探索領域が広がる。 ATLAS

24 LCでのSUSY研究 超対称性による関係式 ゲージフェルミオンのGUT関係式

25 SUSY の破れの機構を決める 総合するとGUTの存在やSUSY の 破れの機構を区別できる LHC: スクォーク、グルイーノの
SUSY particle masses Energy scale G.A.Blair, W.Porod,and P.M.Zerwas LHC: スクォーク、グルイーノの カスケード崩壊 ILC: スレプトン、チャージノ、ニュートラリーノの対生成 総合するとGUTの存在やSUSY の 破れの機構を区別できる

26 （３）暗黒物質とLC 宇宙のエネルギー組成 暗黒エネルギー ７３％ 暗黒物質 ２３％ バリオン ４％ 暗黒物質の候補
　暗黒エネルギー　７３％ 　暗黒物質　　　　　２３％ 　バリオン　　　　　　　４％ 暗黒物質の候補 WINP （weakly interacting massive particle) 　安定な中性粒子

27 WIMP の宇宙初期からの残存量 LCの役割 （１）シナリオを区別 （２）WIMPの性質を決めて残存量を計算し宇宙の観測量と比較
　SUSY 模型のneutralino 　Kaluza-Klein 模型のKK-photon Little Higgs 模型 のheavy photon など。 LCの役割 （１）シナリオを区別 （２）WIMPの性質を決めて残存量を計算し宇宙の観測量と比較　

28 LCにおける暗黒物質の候補の同定 いろいろな 可能性がある。LCで SUSY か余次元理論か区別をすることが できる。
　LHCでMissing energy のシグナルで暗黒物質の候補が見付かったとしても 　いろいろな　可能性がある。LCで　SUSY か余次元理論か区別をすることが 　できる。 neutralino sneutrino KK photon smuon とKKmuon の区別 M.Peskin

29 SUSY暗黒物質の決定 LC で超対称粒子の質量や結合定数 を決めることにより、宇宙の暗黒物質になる か どうかをかる。
ALCPG cosmology subgroup LC で超対称粒子の質量や結合定数 を決めることにより、宇宙の暗黒物質になる か どうかをかる。 PLANCK WMAP

30 ILC物理のまとめ 500GeVまでに多くの物理が保証されている。 1TeV にエネルギーをあげることは重要。
SUSY scenario case 500GeVまでに多くの物理が保証されている。 1TeV にエネルギーをあげることは重要。 GLC Project

31 リニアコライダーの拓く物理 LHC 時代 （２００７年－） LHC+LC時代 (２０１５年頃－） ヒッグス物理 超対称性 余分な次元ある模型
ヒッグス粒子の発見 ヒッグス結合の詳細な決定 (素粒子質量生成機構、 ヒッグスポテンシャル） 超対称性 カスケード崩壊に よる新粒子の生成 超対称性の証明 超対称の破れの機構の解明 暗黒物質の確定 大統一理論の検証 余分な次元ある模型 KKグラビトン、KK粒子の生成 余分な次元の存在の確証 次元の数の決定 余分なゲージ群 余分なゲージ粒子の発見 ゲージ模型の決定

32 結論 現在の素粒子物理の最大の課題は電弱相互作用の破れの物理を理解すること。そのためにはLHCでヒッグス粒子を発見し　500 GeV LC でその精密測定をすることが必要。 力の統一、ニュートリノの質量の起源、暗黒物質の存在などの問題の解決には標準模型を超える物理が必要。LHCで最初の手掛かりが得られたら、それを調べるのはLCの役割。特に、暗黒物質を確定するのにLCは必要。 リニアコライダーは今後２０年の素粒子物理およびその宇宙との関連の解明の中心的な役割を果たす。