リニアコライダーの物理
素粒子と宇宙の謎

２００６年８月２９日
OHO＠KEK
東京大学

山下 了

加速器

宇宙

天文

地球惑星

宇宙の果て

太陽間銀河間の平均距離

銀河

地球

地球

DN
A

人間

基本的スケールと学問分野

望遠鏡

生物
生物化学

原子

原子核

物性

原子核

素粒子の世界

プランク
スケール
重力
電磁力
弱い相互作用強い相互作用素粒子

素粒子物理

電 光子 学
顕 顕
微 微
鏡 鏡

化学

リニアコライダーX
線・中性子数研出版 高校物理IIより

物質の階層構造とそのスケール
素粒子：これ以上分けられない粒子：その定義は時代によって変わる

分子

原子

原子核

核子

素粒子

陽子
酸素原子

u-クォーク

酸素原子核
中性子

Ｈ２Ｏ
水の分子

水素原子

ｄ-クォーク電子

10-10 m

10-14 m

10-15 m<10-18 m

0.1 nm

10 fm

1 fm

<1 am

電池：元祖加速器

QuickTimeý Ç²
TIF FÅià èkÇ»ÇµÅj êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ
Ç™Ç±ÇÃÉsÉNÉ`ÉÉÇ¾å ©ÇÈÇžÇ½Ç…ÇÕïKóvÇ-Ç ÅB

トムソン
ハッブル

電子（素粒子）の発見

２０世紀

ローレンス

加速器の発明アインシュタイン

宇宙の原理：膨張宇宙

QuickTimeý Ç²TIFFÅià èkÇ»ÇµÅj êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ
Ç™Ç±ÇÃÉsÉNÉ`ÉÉÇ¾å©ÇÈÇžÇ½Ç…ÇÕïKóvÇ-Ç ÅB

マクスウェル

時空の統一，エーテルの否定

１９世紀

電気と磁気の統一

我々は何故かくあるのか？

１８世紀

・宇宙の原理，物質の根源に対する人類のあくなき探究心
・実験技術の進歩により「哲学」から「実証科学」へ
長岡半太郎

ニュートン

関孝和

原子模型の提唱

微積分法の発明

重力：天上の法則と地上の法則の統一

荘子
インド古代宇宙論

宇宙の原理：地動説

中国古代宇宙論

望遠鏡の発明１７世紀

宇宙の原理：天動説

１６世紀
QuickTimeý Ç²TIFFÅià èkÇ»ÇµÅj êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ
Ç™Ç±ÇÃÉsÉNÉ`ÉÉÇ¾å©ÇÈÇžÇ½Ç…ÇÕïKóvÇ-Ç ÅB

紀元前

２世紀
コペルニクス

アリストテレス，デモクリトス
物質の根源：４元素＋エーテルか，原子か

プトレマイオスガリレイ

デカルト
空虚（真空）は存在するのか？

最初の素粒子｢電子｣の発見
1897年 J.J. Thomson
下の装置で電子の比電荷(Q/m) を測定した。
⇒ Q/m が非常に大きい
電子は極めて軽い。
⇒ 原子構造の探求へ初めての本格的加速器
ローレンス（アメリカ）
サイクロトロンの発明

多くの素粒子が発見された⇒素粒子モデルの構築

素粒子物理の実験的研究方法
 粒子の内部構造を見るには、粒子と粒子をぶつけて、出てきた粒子を見る。
 より微細な構造を見るには、より大きなエネルギーの粒子が必要（量子力学の不確定性原理 ∆ p ∆x~h）。
 高エネルギー粒子の源は加速器（と宇宙線）。

リニアコライダーの世界
対象
相対性理論（アインシュタイン）空間と時間の関係
質量＝エネルギー

E = mc2

量子力学（マックスウェル・ハイデルベルグ・シュレーディンガーら）

粒子＝波動

不確定性原理10-21m以下の世界（ナノメートルの１兆分の１）

10-26秒の反応の世界（1兆分の1兆分の0.01秒）

空間と時間の関係

相対論的量子力学

宇宙の始まりを再現（湯川・朝永・ディラック・ファインマンら）

無からの創造真空＋エネルギー
物質生成

ビッグバン直後１兆分の１秒
新しい基本法則（宇宙の基本原理）
を探る

量子力学

相対性理論

E = mc2
質量＝ エネルギー
未知の重い素粒子を発生させるには高いエネルギーが必要＝高エネルギー粒子加速器

波長λ=ｈｐプランク定数

運動量〜エネルギー

素粒子＝ 粒子 かつ 波
微少な素粒子の世界を見るには短い波長＝高いエネルギーが必要《応用》
電子顕微鏡、粒子加速器•光学顕微鏡 可視光： 〜1 eV（細胞）•電子顕微鏡・放射光（SPring8）–電子・X線：10〜100 keV（原子）•加速器 電子・陽子：100 GeV〜10 TeV （1011〜 1013 eV）

素粒子物理学の成果と期待
戦後60年で25テーマ（40人以上）のノーベル物理学賞
2004
2002
1999
1995
1995
1992
1990
1988
1984
1980
1979
1976
1969
1968
1965
1963
1961
1960
19591958
1957
1951
1950
1949
1948

QCD理論
ニュートリノ天文学の創始
電弱相互作用の理論
タウレプトンの発見
ニュートリノの発見
多線比例計数箱の開発
小柴昌俊
電子の深非弾性散乱（素粒子実験）ミューニュートリノの発見
W/Zボソンの発見
K中間子のCP非保存の発見
電弱統一理論福井謙一（ノーベル化学賞）
チャームクォークの発見（量子力学による分子の理解）
クォークモデル
素粒子の共鳴状態の発見
江崎玲於奈
量子電気力学（量子力学の半導体素子素粒子の対称性への応用）
核子の構造
泡箱の発明
反陽子の発見
チェレンコフ光の発見
朝永振一郎
パリティ非保存の理論（素粒子理論）CW型加速器の開発
中間子の発見
湯川秀樹
中間子の存在を予言（素粒子理論）霧箱の開発「２０世紀を代表する人」に選ばれたアインシュタイン

数研出版 高校物理Ⅱ より

ノーベル物理学賞受賞候補者（素粒子物理学で物理学賞を受賞した科学者たち）

南部陽一郎
文化勲章、オッペンハイマー賞,ディラック賞,ウルフ賞,フランクリンメダル

西島和彦
文化勲章、文化功労者、仁科賞,日本学士院賞

益川敏英
仁科賞、米国物理学会J.J.Sakurai賞,
朝日賞

小林誠
仁科賞、米国物理学会J.J.Sakurai賞
朝日賞

戸塚洋二
文化勲章、仁科賞,朝日賞,ロッシ賞,パノフスキー賞

鈴木厚人
仁科賞,
ロッシ賞,
朝日賞

（今までの素粒子物理学で分かってきたこと）素粒子の標準理論の粒子（１）物質を形成する粒子
６つのクォーク６つのレプトン(電子、ニュートリノの仲間）＋６つの反クォーク＋６つの反レプトン（クォークと反クォークの性質の違い：KEKB)(ニュートリノも質量をもつ：スーパーカミオカンデ、K2K）（２）４つの基本的相互作用、それを伝える素粒子
電磁相互作用γ

弱い相互作用W+ W- Z0

強い相互作用g （８種類重力G（光子）（ウイークボゾン）（グルーオン）(重力子）

未発見（３）質量の起源（Ｊ＝0）H0 （ヒッグス粒子）未発見

力（相互作用）電磁力 γ(光子）10-2_ 電子

弱い相互作用 W±、Z０ 10-5N＋

原子核

Nʼ

eW−ν

_原子核β崩壊原子

強い相互作用

1

グルーオン (８種類）原子核

ゲージ相互作用

重力相互作用10-38

重力子 (未発見）
地球

陽子
太陽
クォーク

素粒子物理と宇宙論の新たな融合

素粒子 極微の世界

宇宙論 壮大な時空

ILCは宇宙創生（ビッグバン）から10-12秒後を実現

初期宇宙は高エネルギーの世
界

真空の構造（ヒッグス粒子）

Dark Energy （暗黒エネルギー） 73%

時空の新たな構造（超対称性）

Dark Matter （暗黒物質）

粒子数・反粒子数の非対称

通常の物質（陽子、中性子等）

宇宙のエネルギー組成の観測結果

23%4%

素粒子とは、素粒子と宇宙のはじまり
数研出版 物理II

新興出版啓林館 物理II

宇宙と素粒子
（高校教科書 数研出版 物理IIより）

ビッグバン（高校教科書 数研出版 物理IIより）

プ（ ラビ ズッ マグ のバ 壁
ン ：か 14ら 0億
38 光万 年年）

リニアコライダー

宇宙の果てと同じ超高エネルギー状態を「創る」アベル銀河団＠20億光年

宇宙の果てを「見る」

宇宙探査機ボイジャー

宇宙の果てへ「行く」

アンドロメダ銀河＠300万光年

ハッブル望遠鏡

すばる望遠鏡

国際宇宙ステーション

6

まだ解明されていないこと








素粒子の質量の起源はヒッグス粒子（真空の構造）か？
何故３世代のクォーク・レプトンがいてそれぞれの質量が異なるのか？
（ニュートリノの質量は何故軽いか？ トップクォークは何故重いか？）
何故４種類の力があるのか？ 重力を理論の枠組にいれられるか？
なぜ時空は空間３次元、時間１次元か？ 隠れた次元はあるのか？
暗黒物質は？
南部陽一郎先生（シカゴ大学）
暗黒エネルギーは？
様々なアイデアのパイオニア
宇宙はどのようにして生じたか？

次世代のエネルギー
フロンティア加速器によって多くの謎が解明

素粒子物理学の発展の歴史

超弦理論?
大統一理論?
21世紀初頭

20世紀初頭

相対性理論

ゲージ理論
1930年頃

場の量子論

量子力学

超対称性?

1960年-2000年頃

標準理論

ヒッグス機構隠れた次元??

新たな謎??

リニアコライダーでの物理研究

宇宙のエポックと素粒子
現在：暗黒エネルギー、暗黒物質
2.7K宇宙背景輻射、2.2K宇宙背景ニュートリノ
星と銀河の形成

宇宙の晴れわたり（分子、原子の形成）

Ｈｅなど軽い原子核の形成

弱い相互作用と電磁相互作用の分岐

現在の加速器の限界
強い相互作用と電弱相互作用の分岐
インフレーション

大統一

プランクスケールの世界
量子重力の世界世界の加速器達と宇宙

宇宙の年齢と加速器の作り出す粒子のエネルギーを対応付けることができる（それぞれ世界的に特徴をもつ加速器）
世界に1万基

医療用加速器PF,SLS,ESRF,,,（放射光）世界に多数基SPring-8（播磨：放射光）J-ParcRIBＦ(理研:不安定核）等
RHIC(米:イオン）、LHC‐ALICE(欧、陽子）（日本：世界に複数基

陽子/多目的）Bファクトリー（日、米:電子・陽電子）

世界に２基

SPS（欧：陽子・反陽子（休止））TEVATRON（米：陽子・反陽子）
LHC（欧：陽子）

リニアコライダー（電子・陽電子）

１兆分の１秒の世界を再現し更に初期の宇宙を解明する

世界に１基どれぐらい高いエネルギーが必要か？

エネルギーの単位 電子ボルト（eV）
 1 Vの電圧で加速される電子の運動エネルギー 電子の電荷：1.6×10-19 C（1 eV = 1.6×10-19 J）

 1 eV 〜 1μm（近赤外線）
 1 keV 〜 1 nm （紫外線〜X線）
 1 MeV 〜 10-12m （ガンマ線）
 1 GeV 〜 10-15m （陽子の大きさ）
 1 TeV（１兆電子ボルト）〜 10-18m（21世紀の素粒子の世界）

リニアコライダー：0.5 TeV ~ 1 TeV

粒子衝突型加速器（コライダー）の威力（１） 従来の加速器を用いた素粒子実験 （標的実験）E（２） コライダーでの素粒子実験

衝突エネルギー＝√２mE
ｍ： 標的粒子の質量EE
衝突エネルギー＝2E

電子・陽電子衝突 ｖｓ 陽子・陽子衝突
例 ヒッグス粒子生成

電子・陽電子衝突-e+e

Ｚμ＋μ-Hbb

Z

電子・陽電子は素粒子
素過程の直接観測⇒ 物理法則への情報が得やすい

陽子・陽子衝突
hadrons

pgt

bb

Hgp

陽子は複合粒子 ⇒ 反応は複雑

hadrons

高放射線
高事象頻度高いエネルギーまで行きやすいTypical event pattern for the Higgs particle

LHC

ILCe+ e– → Z H
Z → e+ e–, H → b b

円形から直線へ
LHC加速器(Large Hadron Collider)

現在建設中
2007年稼働開始予定

CERN(セルン研究所）（ジュネーブ郊外)

リニアコライダー
中央研究キャンパス

世界最高エネルギーの陽子コライダー

主加速器トンネル
実験ホール（超精密大型測定器）

周長約27km(JR山手線の大きさ）

地下100mのトンネル内に建設中のLHC加速器(日本政府も資金分担。製造には日本企業が多数参加）
建設中の全長40mを超える大型観測装置ATLAS(日本からも多くが参加する２,000人規模の大型国際共同実験）

全長40Km以上

トンネル内に並べた
超伝導加速器で加速電子と陽電子のコライダー（反物質）

リニアコライダー施設

11円形電子・陽電子コライダーの限界
反応は単純、実験は容易
E, m

２Ｒ

しかし…
電子は磁場で曲げられると放射光を出してエネルギーを失う。
一周に失うエネルギーΔE はΔE ∝ （E/m）４/Ｒ
E：粒子のエネルギーｍ：粒子の質量 Ｒ：半径ローン破産のような状態

エネルギー欠損を補ってより高いエネルギーを得たい（１） 重い粒子を回す （陽子質量/電子質量＝１８００） ⇒ LHC（２） Ｒを大きくする ⇒ ＬＥＰ（周囲２７ｋｍ）が限界 ⇒ ILC

電子・陽電子リニアコライダー
放射光のエネルギー欠損を補ってより高いエネルギーを得たい
Ｒを大きくする ⇒ Ｒ＝∞ にしてしまえ ！
放射光の出ない線形加速器 （リニアコライダー）e+e-

一方から電子、他方から陽電子を加速して正面衝突
高加速勾配、ビームを小さく絞り込む技術が必要
ＬＥＰ／ＬＨＣ加速器を伸ばしたくらいの長さ

LHCでヒッグス粒子はどう見えるか

pp→H＋…..
μ＋Z

Z
μー

μ＋μー μ＋μー

μ＋μーリニアコライダー
ILC
陽子・陽子の衝突と比べて反応が簡単。
⇒実験が簡単
但し、加速器が難しい
２００４年８月：国際的に超伝導を主加速器技術を選択した⇒ 計画が大きく進展
２０１５年ごろの完成を目指す
我が国に誘致したいLHCでの測定器
ATLAS
Diameter
25 m
Barrel toroid length
26 m
End-cap end-wall chamber span 46 m
Overall weight7000 Tons
Detector sensors
110M channels

リニアコライダー（ILC)の測定器SiDLDC

GLDLHC Higgs signal
H→γγ

ILC Higgs signal

Bkg.

ttH→WbWbbb→lνjjbbbb
ATLAS

30fb-1ILC（e+e-→HZ production）
Typical numbers
Tagging efficiency~ 30-50 %S/N > 1Bkg.

Evolution in electron-positron accelerators in the worldenergyヒッグス粒子と真空
ヒッグス粒子は「真空」と同じ量子数を持つ⇒ 真空でのヒッグス場が φ=0 から φ=φ0 に転移する。
水が氷になるような相転移が生ずる.
V（φ）

V（φ）

φ

φ₀

膨張による冷却

φ真空

初期宇宙

真空

φ0= ヒッグス場の真空期待値

真空（エネルギーが最も低い状態） では φ=0 .
ヒッグス場は真空で φ0 という値を取り，対称性が敗れる.

空間(真空）に充満しているヒッグス粒子と衝突する
ことによって素粒子はブレーキをかけられる
動き難さ ＝ 質量γexxxx

Wxtx xx x xxxx力︵相互作用︶の統一︵アインシュタインの夢︶

電気？

電磁気力

マックスウエル
磁気電弱理論
ワインバーグなど
β崩壊

超対称性による
大統一？

弱い力

フェルミ
標準理論 （LEPで精密検証）

原子核

強い力

ＬＥＰ実験
量子色力学

超弦理論？

湯川

ＬＨＣ/ＩＬＣ
地球上での物体の運動

ガリレオ
ニュートン
天体の運行

ケプラー

重力

一般相対性理論

アインシュタイン

量子重力？

超対称性は、力の大統一を予言
超対称性の間接的な証拠（１）力の統一 （２）暗黒物質 （３）ヒッグスは軽い

標準モデルでは説明できない
宇宙の謎
宇宙背景放射の温度揺らぎ＋遠方の超新星の距離と光度の関係など

素粒子実験屋にとって屈辱的な観測事実

宇宙との関係
宇宙のエネルギー組成
反物質〜0%
原子4.4 ± 0.4%
暗黒物質
23 ± 4%
暗黒エネルギー 73 ± 4%
(WMAPなどでの観測）
96% は未解決
これらの正体は素粒子物理学で理解されるべき宇宙初期に起こっていた素粒子現象を加速器で実験

宇宙の暗黒物質（Dark Matter）
銀河の周りを回る星の速度
銀河

重力＝遠心力Mm

G Mm/r 2 = mv2/r

銀河外v= √GM/r

銀河内v=√4πGρ/3 r

星がほとんどいない遠方まで行っても速度は落ちない。
⇒我々の銀河にも 1 cm3 当たりに陽子の質量の1/3の光らない物質がある 即ち、暗黒物質が存在
暗黒物質の最有力候補＝最も軽い超対称性粒子 〜χ０ヒッグス粒子
質量の起原と真空のなぞの解明

我々の体は素粒子の集合体
素粒子＝「真空」の海に存在する「実在」波
海水＝特別な素粒子「ヒッグス粒子」

全ての素粒子に質量を与えるとされる特別な素粒子
これがなければ我々も存在できないはず標準理論で予言されて以来、素粒子物理学者が３０年以上にわたって追い求めてきたが未発見。
その性質いかんにより２１世紀の素粒子物理の方向が決まる。

CERNのLEP実験で重さが陽子の100-200倍程度であることがわかってきた。
リニアコライダーではヒッグス粒子を確実に創り出せる。
100,000個以上のヒッグス粒子を創り性質を調べ尽くせる。

リニアコライダーでのヒッグス粒子
ヒッグスが質量を創り出す＝ヒッグスは「重い」粒子に壊れやすいはず

GLC

どのように壊れるかを徹底的に調査

ILCでのヒッグス粒子の研究
IＬＣ は ヒッグス・ファクトリー
5O(10 ) 個の事象を生成して徹底的に研究
質量の起源｢真空」の構造 .
M(素粒子) = g(結合定数) v（真空期待値）
結合定数

質量[GeV]Higgs potential = Origin of EW symmetry breaking

For SM Higgs

ACFA

ACFA Higgs working groupGrace

The first access to the Higgs potential
through double Higgs-boson production.

δΛ/Λ ~ 10 - 15 %LHC

Deviation from SM value

Coupling Precision
+30%

Γhτ

bt

W

300 fb-1 x 2Z+20%+10%0%(SM)-10%-20%-30%

Model assumption

ILC

Deviation from SM value

Coupling Precision
+30%

Γhc

τ

bt

W

ZH

+20%+10%0%(SM)
-10%
-20%
Model Independent Analyses
-30%

ILC

Deviation from SM value

SUSY or 2HDM
+30%

Γhc

τ

bt

W

ZH

+20%
cosα/sinβ+10%0%(SM)

sin(α−β)

-10%
-20%

sinα/cosβ
Model Independent Analyses-30%超対称性（Ｓｕｐｅｒｓｙｍｍｅｔｒｙ）
フェルミ粒子 電子など スピン 1/2、3/2、…
同じ状態に２粒子以上入れない。
電子は７２０°回転しないと元に戻らない。
ボーズ粒子

光子など スピン ０，１，２、…

同じ状態に２粒子以上入れる。
３６０°回転すれば元に戻る。

スピン＝粒子の自転

４次元時空の拡張
フェルミ粒子とボーズ粒子は対称であるべき超対称性 (SUSY)
・超対称性＝フェルミ粒子とボーズ粒子を入れ換える対称性
重力を含む力の統一で決定的な役割 （新たな時空の対称性）
・全ての素粒子に超対称性パートナーが存在し、その質量はTeV以下⇒超対称性パートナーの発見は反粒子の発見に匹敵する成果
・最も軽い超対称性粒子は、宇宙の「暗黒物質」の最有力候補⇒宇宙構造の理解

超対称性粒子リスト

多くの生成チャンネルSUSY at ILC
超対称性原理の発見
ACFA WG

大統一理論

ILCでの超対称性粒子の探索（電子偏極）μ~µ +Re+

beam

γ /Z
~µR

e -L/Rμスカラーμの生成
e+R

W+e+RW

電子スピン無偏極
電子スピン縦方向偏極(90%)

+

νe

0e-L

W

W-eL-

バックグラウンド
中西研究室（名古屋大学）

W-

超対称性粒子から宇宙初期・大統一理論を探る

超対称性理論の測定値

LHC

LHC⊕LC

大統一

エネルギースケール

アインシュタイン・湯川・朝永の夢

究極の統一理論を目指して

電磁力

４つの力
弱い力
強い力

重力

電子機器

ニュートリノ

銀河

原子力

ヒッグス
超対称性

隠れた次元

大統一理論

スーパーストリング

ビッグバン

Physics research covered by ILC

1st stage: Ecm =210 -500 GeV,
Luminosity = ~ 200 - 500 / fb / year x several years .
2nd stage: Ecm = 1 TeV

まとめ

素粒子物理学と宇宙論の全く新しい展開がすぐそこに迫る
質量の起源 真空の構造 （ヒッグス粒子）
時空の新たな対称性（超対称性）（パラダイム転換）

暗黒エネルギーと関係？
暗黒物質の最有力候補

今まで手が届かないと思っていた真空のなぞや宇宙のなぞに迫る
人類の宇宙観・物質観の大きな転換

次世代のエネルギーフロンティアの加速器による革命前夜
LHC 大型ハドロンコライダー
陽子・陽子衝突 （非常に高いエネルギーで新物理を俯瞰）
２００７年実験開始＠CERN

ILC 国際リニアコライダー
電子・陽電子衝突 （物理の原理の解明へ）