HERAからLHCへ：
最高エネルギーでみた素粒子の構造•HERA: 巨大電子顕微鏡•HERA-IIの結果•陽子のパートン分布•LHCとHERA•HERAを継ぐもの

HERAep電子陽子陽子LHC

高エネルギー加速器研究機構
徳宿克夫

http://microcosm.web.cern.ch/microcosm/P10/english/P0.html

1 Meter

Power of Ten

0,1 m
0,01 m = 1 cm
0,001 m = 1 mm =10-3 m

0,000001 m =10-6 m0,000001 m =Power of Ten

10-6 m (μm)
DNA：10-9 m (nm)

炭素原子： 10-12 m (pm)
陽子: 10-15 m (fm)
どうやってより小さいものを見るか？

分解能～（波長）-1  h/q⇒高いエネルギーの粒子をあててその散乱を見る。

qiqi
http://microcosm.web.cern.ch/microcosm/P10/english/P0.html

q=|qf-qi|

分解能～（波長）-1  h/q

加速器の進歩によって、より高エネルギーの散乱実験への道が開け、より小さな基本構造を探ることが可能となった結果、自然界の階層構造を順次明らかにした。
nucleiprotonHERA:(27.5 GeV e vs 920GeV p)
Q2max= s = 4EeEp ~ 10000GeV2

cf. 陽子の静止標的では
s = ２EeMp
静止標的でHERAの重心系エネルギーを得るには52000GeVの電子ビームが必要

HERA 1992-2007

HERMES
Hamburger
Sport-Verein
H1 (HSV)の本拠地

ZEUS
Tesla Test Facility
リニアコライダー・
自由電子レーザーのテスト実験施設 -> FLASHView of the HERA ring tunnel

ヘリウムの輸送ライン

陽子加速器 920GeV
超伝導電磁石電子加速器 27.5GeV
弱い磁場で曲がるので、普通の電磁石

ZEUS experiment at DESYZEUS
14カ国
約400人の研究者の集団

日本からはKEK、東大
東工大
都立大HERA History (1992-2007)
15 years
3 yearbreak

HERA-I 1992-2000
HERA-II 2003-2007

HERA stopped at the end of June in 2007
10

HERAでは電子とクォークの散乱を見る

光子、Ｚ粒子
クォーク

陽子920GeV

920x GeV

電子
27.5GeV

陽子内クォーク分布の測定
クォークの構造の探索

HERAによる研究の利点
相互作用の精密測定

弱い相互作用と電磁相互作用を同時に測定①高エネルギー衝突散乱後のクォーク⇒ ジェットにQCDの研究高分解能②偏極散乱
相互作用の型の違いに感度が大きい

HERAの(最終)結果

光子、Ｚ粒子
クォーク

陽子920GeV

920x GeV

電子
27.5GeV

陽子内クォーク分布の測定
クォークの構造の探索

HERAによる研究の利点
相互作用の精密測定

弱い相互作用と電磁相互作用を同時に測定①高エネルギー衝突

散乱後のクォーク（ジェット）

高分解能
②偏極散乱
相互作用の型の違いに感度が大きい

中性流反応

荷電流反応

散乱陽電子

陽電子

陽子

ジェット

ジェット

散乱後の陽電子

反電子ニュートリノ
陽子820GeV

陽子820GeV

光子、Z粒子

陽電子
27GeV

Ｗ粒子
クォーク
（u,d,s,c..)

散乱後のクォーク
（ジェット）

ｄ、sクォーク
陽電子
27GeV
ｕ、ｃクォーク（ジェット） 

媒介粒子の質量と散乱断面積Q

光子

質量＝０dσdΩ

W粒子

質量＝80GeVdσdΩ





2Q

42



Q2e12

4  0  c137

  ( p i  pf )2 微細構造定数

 四元運動量移行の２乗2 Mw

2 2HERA  Q2~Mw2 α～α´なら中性流反応と荷電流反応が同じように効いて来る標準模型による、電子陽子衝突反応
入射電子散乱電子入射電子

散乱ニュートリノ？

γ、Ｚ入射陽子

散乱クォーク(ジェット）
γ、Ｚによる中性流反応

Ｗ

入射電子散乱クォーク(ジェット）
Ｗによる荷電流反応(左巻き偏極電子とのみ）

入射陽子

入射陽子？
？

未知の相互作用、新粒子

中性流反応、荷電流反応の統一

HERA-I Final Results
Q2(４元運動量移行の２乗）の増加と共に中性流の強さ ～ 荷電流の強さ
Neutral Current

電磁相互作用と弱い相互作用の統一

Charged Current

Good agreement with the SM
Mw = 80.3 2.1(stat)1.2(syst)1.0(PDF) GeV(from ZEUS ep data)•NC(e+p) < NC(e-p)
 γZ interference+•CC(e p)<CC(e-p)
 u,d-quark distribution in the proton
16

nuclei

proton現状

もしクォークに構造があれば、標準模型の予測からずれてくる。
クォークの大きさは陽子の～1000分の1より小さい

HERA-II実験での新しいこと： 縦偏極電子ビーム電子（陽電子）ビームを縦偏極できるようになり、左右巻き電子と陽子の散乱実験が始まる。
例えば標準模型では、左巻きの電子と陽子とでは荷電流反応が起こらないので、新相互作用の発見感度が上がる。

荷電反応測定の物理
電子ニュートリノ（左巻き）
陽子820GeV
期待図
ｄ、sクォーク
Ｗ粒子（左巻き）
左巻き電子
ｕ、ｃクォーク（ジェット）

反応断面積

右巻き電子ニュートリノ
陽子820GeVｄ、sクォーク
Ｗ粒子（右巻き）
右巻き電子
ｕ、ｃクォーク（ジェット）

左巻き偏極度右巻き

ΔMWL～80MeV
MWR>400GeV

偏極実験の結果

荷電流反応断面積

右巻き陽電子と陽子の衝突での荷電流断面積を初めて測定できた。
← 日本グループが中心的な役割を果た
した解析 (陽電子：奈良女子
大院生のD論、電子：都立大院生がD論)

電子

弱い相互作用の左右非対称性をこのエネルギー領域で初めて直接測定した。

陽電子

左巻き偏極度右巻き

σR=0.2±1.8±1.6 pb (preliminary)

HERAでは電子とクォークの散乱を見る

光子、Ｚ粒子
クォーク

陽子920GeV

920x GeV

電子
27.5GeV

陽子内クォーク分布の測定
クォークの構造の探索

HERAによる研究の利点
相互作用の精密測定

弱い相互作用と電磁相互作用を同時に測定①高エネルギー衝突

散乱後のクォーク（ジェット）

高分解能
②偏極散乱
相互作用の型の違いに感度が大きい陽子内のパートン（クォーク、グルーオン）分布

陽子内部のクォーク・グルーオンの分布をどうやって探るか－＞ Deep Inelastic Scattering

HERA: 27.5GeV電子と920GeV陽子のコライダー
ek’k

27.5GeV

p 920GeVq

電子陽子の深非弾性散乱（DIS)を測定

Q2= -q2

Q2gx

remnant jetppcurrent jet

FL=F2-2xF1
QPM では０Wx = Q2/2p.q
F 2   e xq f ( x , Q )22f2qf ( x , Q ) : quark distribution function

pQCDによるパートン分布の決定
DGLAP発展方程式 （Dokshitzer, Gribov, Lipatov, Altarelli, Parisi）
dF 2d ln Q2)2  s (Q  e q2q2

1dy

 y

P x y   q y , Q   P x y   g y , Q 2qq2qgx

splitting function (known from pQCD)
Q2→大：高い運動量を持っていた（high-x）q、gが、低いxのq,gに分かれていく

Pqq  x y yxq(y-x)

Pqg  x y yxxx(y-x)

HERAでの様々な反応から陽子構造の情報が得られる
 Neutral current DIS (NC)

 Charged current DIS (CC)γ, Z0exchange

W±exchangeγ, Z0  F2   x ( q  q )Sea + valence quark

Charge selective interaction
e- : u quarke+: d quark

 F2
 ln Q

2 xg

gluon

Z0 introduces parity violation.
 xF 3   x ( q  q )valence quark Jet process

Directly
sensitive togluon densityg

QCDフィットによる陽子内パートン分布の決定
A single experiment can determine PDFs!
Jets
crosssections
 gluonγexchange seascalingviolation
 gluonsea, gluon

valence QCD + EW physics
Z0 exchange • sea + valence• valence only
W± exchange u or d quark
Fixed target
experiments

当初は昔の固定標的データとHERAデータを組み合わせてパートン分布を出していたが、最近はHERAだけのデータで求められるようになってきた。
– 一つの実験: 系統誤差を統一的に扱える。
– 陽子標的： 原子核の束縛効果を考えなくてよい– High Q2： 摂動の高次の影響が尐ない。.

QCDフィットによる陽子内パートン分布の決定
2
NC:
highQ
A single experiment can determine PDFs!
Jets
crosssections
 gluonγexchange seascalingviolation
 gluonsea, gluon

valence QCD + EW physics
Z0 exchange • sea + valence• valence only
W± exchange u or d quark~800 data points
Fixed target
experiments

CC: high Q2

当初は昔の固定標的データとHERAデータを組み合わせてパートン分布を出していたが、最近はHERAだけのデータで求められるようになってきた。
2

NC: low Q– 一つの実験: 系統誤差を統一的に扱える。
– 陽子標的： 原子核の束縛効果を考えなくてよい– High Q2： 摂動の高次の影響が尐ない。.

pQCDによるフィット
dF 2d ln Q2)2  s (Q  e q2q2

1dy

 yP x y   q y , Q   P x y   g y , Q 
2qq2qgx

LHCの点のF2に影響を与えるのはそれより大きなxのF2の値。
あるQ2でxmin~1の範囲でF2が測定できれば
DGLAP方程式でその領域でのすべてのQ2でのF2が求まる。
HERAのデータは低いx領域での振舞いを初めて測定できた。

P D F P a ra m e te r iz a tio nu -v a le n c e ( x u v ) A u v x b u v (1 -x ) c u v (1 + d u v x )d -v a le n c e ( x d v ) A d v x b d v (1 -x ) c d v (1 + d d v x )S e a (x S )A S x b S (1 -x ) c Sg lu o n (x g )A g x b g (1 -x ) c g (1 + d g x )d b a r- u b a r (x Δ ) 0 .2 7 x 0 .5 (1 -x ) c Δ
C o n s tr a in ts• M o m e n tu m a n d n u m b e r s u m ru le• E q u a l b e h a v io u r o f u v a n d d v a t lo w x• Δ : c o n s is te n t w ith G o ttfrie d s u m r u le a n d D re ll Y a n1 1 fre e p a ra m e te rs23

パートン分布

陽子の構造関数の測定から求めた、陽子内のパートン（クォーク、グルーオン）分布

uクォーク

グルーオン(×0.05)
dクォーク

海クォーク(×0.05）

パートンの持つ相対運動量スケールの違いに注意
ｌow-xではグルーオンがほとんど陽子内部のクォーク・グルーオンの分布を精密に測定した。
特に運動量の小さいグルーオンの振る舞いを初めて精度よく測定した。
より高エネルギーの実験（LHC)での新粒子探索等に重要な情報となる。

PDFの精度の改善：
ジェット断面積をQCDフィットに加えたり、積算ルミノシティの増加により、高いx領域のパートン分布の決定精度が（尐しづつあがってきている）

without jetswith jets
ZEUS-JETS
ZEUS-pol(without HERA II) (with HERA II)

最終結果へ向けて• High Q2の NC, CC断面積測定の最終版•陽子のエネルギーを変えた実験の解析からFLの測定•統計を倍にする試み ―＞ H1+ZEUS
HERA F2
HERA PDF
BSM探索：
collected:
High-Pt lepton Total luminosity
H1: 478 pb
294 pb e+
di-lepoton
184 pb eZeus: 492 pb
Leptoquark
286 pb e+-1-1-1-1-1

206 pb-1 e-~ 1 fb-1

+
NC e p33

+NC e p2実験の単なる平均をとるのではなく、誤差の相関を考えて値を求めることにより、系統誤差を下げることができる。

34

CC e p35+CC e p36

新現象の探索
電子がミューオンに変化：標準模型では起こらない•

ニュートリノミキシング→反応断面積が小さい
新粒子〔世代間をつなぐ鍵→ノーベル賞？？
W粒子の生成→ 一番ありえそう••

新粒子探索に大事なのは、あらゆる標準模型からの“ごみ”を考え尽くすこと。

散乱後のクォーク（ジェット）

散乱後のクォーク（ジェット）

散乱後陽電子

陽電子

陽電子
27GeV

クォーク（u,d,s,c..)
陽子

光子、Z粒子陽子820GeV
散乱後ミューオンWνμH1 isolated leptons
5<ql<140Oe+

Excess at high pTX

e-Agreement with SMZEUS isolated leptons
15o < ql < 120o

41 events observed in 492 pb-1 of data
HERA I+II
Ptx>25GeVe channel
Obs/exp(signal)

m channel
Obs/expt.(signal)e+ data

3/3.9 ±0.5(81%)

3/3.6±0.5(81%)

e-data3/3.2±0.6(69%)

2/2.4±0.4(85%)

Good agreement between data and Standard Model for both data sets
No Excess seen at high PTX as seen by H1

H1 and ZEUS combined
15<ql<120O

87/92.7+-11.2 events observed in 0.97fb-1
e channel
obs. / exp. (signal)

m channel
obs. / exp. (signal)e and m channels
obs. / exp. (signal)

e+p data (0.58 fb-1)

12 / 7.4 ± 1.0 (70%)

11 / 7.2 ± 1.0 (85%)

23 / 14.6 ± 1.9 (81%)

e–p data (0.39 fb-1)

4 / 6.0 ± 0.8 (67%)

2 / 4.8 ± 0.7 (87%)

6 / 10.6 ± 1.4 (76%)

e+ + e- data (0.97 fb-1)

4/6.0 ± 0.8 (67%)

2/4.8 ± 0.7 (87%)

29/25.3 ± 3.2 (79%)

H1+ZEUS HERA I+II
PTX > 25 GeV

Excess in e+ data has significance of 1.8 s based on dataof both experiments (2.9s H1 data only)トップクォークの崩壊からのWなら高いPTを持つ
HERAではsingle top production → FCNCbW

Multi-lepton Event
HERA-IでH1がハイマス、マルチエレクトロン事象が多いとコンファレンスで報告

photon-photon

Cabbibo-Parisi

Drell-Yan

散乱電子と生成した電子ペアで３つの電子が終状態に存在。
ただし、散乱電子はビームパイプに抜けることが多い

2 lepton results
446 evts

185 evts

201 evts

Overall good agreement with SMH1: 3 ee events observed at
M>100GeV(all hera1 e+p data)
ZEUS: 2 ee event observed at
M>100GeVResults on 2+3 leptons
4 events withhigh SPT

3 ee events with M>100 GeV
1 emm event with M12>100GeV

SM expectation
1.9±0.4

3 events withhigh SPT
SM expectation
1.58+0.16-0.12

LHC: 周長27km
重心系のエネルギー 14TeVの陽子・陽子衝突器

LHC 2008-

LHC (Large Hadron Collider)
Circumference : 27km
1232 superconducting dipoles
with magnetic field B=8.3 T

pp collider √s=14TeV

Design L=1034cm-2s-1 (100fb-1/year)
1033 for the early stage

TOTEM

1/11/2007

Two General purpose Detectors: ATLAS and CSM

47

Descent of the last magnet, 26 April 2007

Last connection sealed by DG
on 7 November 2007

“There is no big red button, and there are
inevitably hurdles to be overcome as webring the LHC into operation,” said Aymar,“Every part of the system has to be broughton stream carefully, with each sub-systemand component tested and repaired if
necessary.”“There have been no show-stoppers sofar,” added Evans. “For a machine of thiscomplexity, things are going remarkablysmoothly and we’re all looking forward todoing physics with the LHC next summer. Iffor any reason we have to warm up asector, though,” he cautioned, “we’ll belooking at the end of summer rather thanthe beginning.”

From CERN Press ReleaseSchedule• In March 2008, the beam pipes at ATLAS area will beclosed.
•Beam commissioning will start in May 2008.
• First collisions (14TeV) in July 2008.
• Official inauguration of the LHC on 21/Oct/2008• Expected Luminosity(with large uncertainties)

6x1030~ 1032 in 2008-> 0~100pb-1
1032-1033in 2009-> a few fb-1
1033
till ~2011? LHC low lumi phaseInt. L ~ 30 fb-1
Then 1034
LHC low high phaseInt. L ~ 300 fb-1
 1035
LHC upgrade(~2015)
1/11/200750

Current status

1/11/2007

51

ATLAS測定器
直径：25m
長さ：46m
重さ：7000トン⇒ 比重0.31g/cm3

標準理論

6種類のクォーク
6種類のレプトン
4つのゲージボゾン
（＋重力）

gr

大成功を納めているが最後のHiggs粒子が見つかっていない→ LHC, ILC

LHCではパートンとパートンの散乱を見る
陽子

７TeV

g
７x1TeVH
g ７x2TeV
陽子

７TeV
MH2=4 (x1Ep)(x2Ep)
Higgs : 140GeVとして、x 1 x 2  1 / 100
x 1  x 2  0 . 01

Higgsのできる頻度は、陽子の100分の1の運動量を持つグルーオンが陽子の中にどれだけいるかで決まる。
←HERAの測定

力の統
一の歴史

電気力

マックスウェル

電磁相互作用W/Z CERN

磁気力

電弱相互作用ワインバーグ

β崩壊

フェルミ

原子核

ラザフォード大統一理論、超対称性？

弱い相互作用HERA

強い相互作用

湯川

QCD

グルーオン

LHC

落下実験

ガリレオ
ニュートン
惑星運動

ケプラー

重力

一般相対論
アインシュタイン

量子重力？

超弦理論？

LHCの前実験としての意味
HERAでの陽子構造関数の測定

陽子内部のパートン分布

HERAの実験では、陽子内部のクォークとグルーオンの分布を精密に測定できる。
→ LHCでのヒッグス粒子の生成頻度を決める。（～１０％の精度）
LHCでのHiggs断面積予測

QCD fit
陽子ｇH陽子(ME)x(PDF)ｇ

140GeVのHiggsの生成断面積を見るには
x＝0.001~0.1のグルーオンの密度がわからないといけない

HERAでのJet/Diffraction
解析とLHC
Higgs探索の問題点：
Low Mass Higgs Br(H → bb) ~ 100%σbb ～ O(108)＊σHiggs
QCDバックグランドが非常に大きい
Higgsの生成メカニズムで一番大きい
寄与はggフュージョン：

８桁の差

LHC

カラーフローからの多重パートン生成⇒QCDバックグランドとの識別が困難通常のgg⇒Hではグルーオンから沢山のグルーオンがでてきて、Higgsの崩壊粒子の近傍に沢山他の粒子が生成されるので、どの粒子がHiggsからきているかを知るのが非常にむつかしい。
そこで、断面積は小さいが識別しやすい過程に注目が集まっている。

Vector Boson Fusion (Zeppenfeld et al.)ギャプWWH

ギャプbbbb
Forward jet

ラピディティ

Double Pomeron Exchangepomeron
カラーフローなし
pomeron

ギャプ

ギャプbb

Forward proton

ラピディティ

これらの過程での問題点：
LHCでのポメロンのフラックス密度は？
ギャップが生き残る可能性は？

→ 今のHERA/Tevatron の問題

LHC

HERA
HERAでのJet生成の研究は片方が電子なので‘半分’の複雑さで研究ができる。

HERAではγpで、ギャップが埋まってしまう同様なことが起こる。
Xγを関数としてMPIの研究が可能

Gap Survival Probability

他のパートンが全く相互作用しない確率

Multi-parton Interaction

一つの反応で複数のパートンが相互作用する確率

Multi-jet の研究とDiffractionの研究の接点：→ HERAで基礎データがだせるか？ ： LHCのデータ解析との同時進行になるか？

LHeC: LHCにさらに電子リングを足してep衝突を行う。
protons
protons

antiprotons
protons
electrons?

2009年ぐらいを目途に具体的なプロポーザルを国際共同で出す。
尐し何ができるかを検討して、面白いことがあったら、積極的に参加する。

HERA:(27.5 GeV e vs 920GeV p)

nucleiproton

LHeC

LHeC(70GeV e vs 7000GeV p)

●たとえば、leptoquark
レプトンとクォークがあるなら、その両方の性質をもった粒子もあっていいのでは？

LHC 対生成

LHeC もともとあるクォークとレプトンから作れるRe+ resonance

LHCで発見された後、LHeCで狙いを定めて精密測定

まとめ• HERAでの実験では、電子をプローブとして陽子の大きさの千分の一の大きさの分解能で、陽子の内部を探った。
• 陽子の内部には数多くのクォークとグルーオンがあることがわかった。
• 中性流と荷電流反応を測定することによって電弱相互作用の力の統一を示した。
• クォークがさらに小さいものでできている気配は今のところ見つかっていない。
• HERAで測定した、陽子内部のクォークとグルーオン分布は、LHCでのHiggsなどの生成量を予想するのに利用されている。
• 陽子・陽子反応では、沢山のクォークやグルーオンが発生して、それらに、新粒子の信号が埋もれてしまう心配がある。片方が電子という簡単なシステムなので、クォークやパートンの多重発生の仕方をHERAで研究できる。

2004 (13 applicants)
Tokyo
Tokyo
Tokyo
2005 (8 applicants)
NagoyaToho
Hiroshima2006 (5 applicants)
Tokyo
NagoyaNagoya2007 (15 applicants)
TohokuTokyo
Tsukuba
Tokyo
Tokyo

C2GT
ATLAS
ATLAS
CMS
HARP
ALICE
COMPASS
LHCb
ATLAS
TOTEM
ATLAS
ALICE
CMS
CMS

Same functional forms
PDF parameterisation : x f(x) = A xB (1 - x)C (1 + D x + F x3)
ZEUS-JET parametrisation (11 parameters)

H1 parametrisation (10 parameters)
gluon

A
From Sum
Rule

B

C

DF
0.

uv

uv
Ubar
UA(Ubar ) = = B (U)A(U)
ubar/dbar→1
as x → 0.

0.

DA(Dbar ) =A(D)0.

From Sum
Rule

dv
Dbar

gluon

A
From Sum
Rule
From Sum
Rule

B

From Sum
Rule

= Buv

C

DF
0.
0.

Ubar
U

0.

dv

= B(U)

0.

0.

Dbar

= B(U)

From Sum
Rule0.

Dubar - dbar

ubar - dbar

Sea

Sea

from
from
from
0.
Z_S_11 fit Z_S_11 fit Z_S_11 fit
0.

0.

0.
0.

Different assumptions
70

Assumptions for QCD fits• H1 param : s = 0.33 Dbar
• ZEUS param : (s + sbar) = 0.2 sea• Wthin the Zero Mass Variable Flavour Number (ZMVFN)– H1 : charmed quark = 0.15 Ubar above threshold.
– ZEUS : charmed quark, dynamically introduced by evolution• H1 parameterisation: dbar/ubar → 1 as x → 0.
• ZEUS param’s : dbar – ubar = fixed function of x
• Q20 = 4 GeV2 (H1 param.) vs Q20 = 7 GeV2 (ZEUS param.)• Q2 min (data) = 3.5 GeV2 (H1) Q2 min (data) = 2.5 GeV2 (ZEUS)• Grid size
• Different treatment of systematics• Other ? Ongoing checks to reproduce H1analysis within
ZEUS package and ZEUS analysis within H1 package.
• The goal is to have a common fit.
71