高エネルギー陽子反陽子衝突による素粒子物理研究
金 信弘
筑波大学物理学系
プレカレッジ講義（下館第一高等学校）
2003年10月11，18日● はじめに● 高エネルギー陽子反陽子衝突実験（ＣＤＦ実験）
トップクォークの発見
Bc中間子の発見● 素粒子物理学の将来

主要な高エネルギー加速器研究所
欧州共同原子核研究所(欧) CERN

フェルミ国立加速器研究所(米国) FERMILAB

高エネルギー加速器研究機構(日本) KEK(著作権：白い地図工房)

ブルックへブン国立加速器研究所(米国) BNL

スタンフォード線形加速器研究所(米国) SLAC2TeV陽子反陽子衝突実験（CDF実験）
米国フェルミ国立加速器研究所テバトロン加速器

1992年〜1996年
Run1 ( 110pb-1 )2001年4月〜2008年
Run2 ( 9fb-1 の予定)

The CDF Collaboration
North America
3 Natl. Labs
28 Universities

Europe1 Research Lab
6 Universities
1 University

1 Universities
4 Universities

Totals2 Research Labs1 University

12 countries
1 University

58 institutions
581 physicistsAsia
5 Universities
1 Research Lab
1 University
3 Universities

CDF実験グループメンバー
DesignReport

参加国：３
米国
イタリア
日本

（1981年）

人数：87名（13）57名 （9）15名 （2）
15名 （2）17％

Run１ （1998年時点）
参加国：７
人数：445名
米国
276名
イタリア
85名
日本
48名
スイス
6名
カナダ
10名
台湾
13名
ドイツ
10名
日本の内訳

筑波大学
KEK
広島大学

Engineering

Run（1988年時点）

参加国：３
米国
イタリア
日本

人数：189名 （17）
146名
（13）
24名
（2）
19名
（2） 10％（大学・研究所： 41）（22）（5）（5） 11％
（1）
（1）
（1）
（1）
27名（教官10名、大学院生17名）
4名
大阪市立大学7名
早稲田大学

その後、参加した大学・研究所
ITEP（ロシア）、Glasgow(英)、Oxford(英)、College of London(英)、KHEL(韓国）、岡山大学（日本）7名
3名

Tevatron History and Future
Discovery of top, Bc, …
MW, Mtop, sin2β, … measurements
2 x 1032
cm-2 s-1

Tevatron Collider Luminosity

2 fb-1

0.1 fb-1
2000

Run : 0s :Ia
1.8 TeVIb

5 x 1032
cm-2 s-1

2002

2004

15 fb-1
2006

IIa
IIb
1.96 TeV

2008

Tevatron status• Tevatron operations started
in March 2001
Luminosity goals for run 2a:

Initial Luminosity
July 01• 5-8x1031 cm-2sec-1 w/o Recycler• 2x1032 cm-2sec-1 with Recycler

Now

Achieved:• 3.8x1031 cm-2sec-1 in
October ’02• Now recovered from June
shutdown to improve p-bar
cooling• 170 pb-1 delivered until
January ’03

Integr. Luminosity

170 pb-1

Delivered
120 pb-1

120 pb-1 are on tape–– 10 – 20 pb-1 used for analyses
shown here (details)
plans

On tapeCDFII Detector

CDF

Muon System
Central Calor.

NewOldSolenoid

PartiallyNew

Muon

Plug Calor.
Time-of-Flight
Drift Chamber
Front End Electronics
Triggers / DAQ (pipeline)
Online & Offline Software

Silicon Microstrip
Tracker素粒子とは？

原子原子核

陽子電子クォーク

素粒子と素粒子間の力（素粒子物理標準理論）
物質を構成する粒子（フェルミオン）
クォーク

アップ(0.002)
ダウン(0.005)

電荷2/3
- 1/3

チャーム(1.3)
トップ(175 )ストレンジ(0.14) ボトム( 4.2)
レプトン

電子(0.0005)

ミュー粒子(0.106)

タウレプトン(1.8)

電子ニュートリノ νeミューニュートリノ νμタウニュートリノ ντ

-10

力を伝える粒子（ゲージボソン）
強い力
グルオン(0)

電磁気力
光子(0)

弱い力
Ｗ粒子(80)Ｚ粒子(91)（ ）内の数字はGeVの単位で書かれた質量

質量の起源（ヒッグス機構）
ヒッグスポテンシャル
V (φ) = µ2φ2 /2 + λφ4 /4 ( λ>0 )µ2 > 0 (ビッグバン直後)
真空の相転移（対称性の破れ）
2µ < 0 (現在)

大統一理論
三つの力（電磁力、弱い力、強い力）は、宇宙創生直後の高温時には対称性が成り立ち、同一の力であった。それが冷えてきたときに対称性が破れて異なる力に見えるようになった。

超対称性理論すべてのフェルミオン（ボソン）には超対称粒子のボソン（フェルミオン）のパートナーが存在する。この超対称性を仮定すると、三つの力の大統一がある高温状態で成り立つ。
この理論は有望であると考えられている。この理論が正しければ、質量150GeV/c2以下のヒッグス粒子が存在するし、また標準理論で期待される以上のＫ中間子、τ粒子、Ｂ中間子の稀崩壊が起こる。

CDF

ビッグバン宇宙と素粒子物理

大統一理論
真空の相転移粒子反粒子対称性の破れ

電弱統一理論
ヒッグス粒子

CDF実験の経過と主要な成果
陽子反陽子衝突実験（米国フェルミ国立加速器研究所）

1981年8月 CDF設計報告書
1985年10月 陽子反陽子初衝突
1987年
テスト実験
1988年6月 物理実験(Run0)〜1989年5月
1992年4月 物理実験(Run1)〜1996年2月
1994年
トップクォーク発見
1998年Bc中間子発見
2001年4月〜 物理実験(Run2)再開
ヒッグス粒子探索、Ｂ中間子のＣＰ非保存、トップクォークの物理、電弱相互作用と強い相互作用、新粒子・新現象の探索。

トップクォークの発見
1977年のボトムクォーク発見以来、多くのコライダー実験でトップクォーク探索が行われた。
1978年〜1986年
PETRA（ 46.8GeV電子陽電子衝突実験） at DESY(独)1980年〜1990年
PEP（ 30GeV電子陽電子衝突実験） at SLAC (米)1981年〜1990年
SppS（ 630GeV陽子反陽子衝突実験）at CERN (欧)1987年〜1995年
TRISTAN（ 64GeV電子陽電子衝突実験） at KEK (日)1987年〜TEVATRON（ 1.8TeV陽子反陽子衝突実験）
at Fermilab (米)CDF実験設計報告書（ Design Report ）共同実験者 90名

Top quark SearchMtop = 25 GeV/c2

Leptoonic W DecayHadronic W Decayσ（tt）＝20pb
設計値 1pb-1

日本グループの物理解析準備

bb backgroundbbバックグラウンドが40GeV/c2付近のピークを作る。

CDF全体グループミーティングでの解析報告「トップクォーク生成の証拠」発表の8ヶ月前

SVX b-tag

100

2 events

180

再構成されたTop mass

SVX b-tag 2 events

ＣＤＦでのトップクォーク対生成の同定● Dilepton チャンネル

t t → W + b W- b → l + l - ν ν b b
事象選別の信号： l +, l -, missing ET , 2 jets
◎ b tagging は要求しない。
● Lepton + Jets チャンネル

t t → W + b W - b → l± ν q' q b b
事象選別の信号： l ±, missing ET , ≧3 jets, b tagging● Multi-Jets ( All Hadronic )チャンネル

t t → W + b W - b → q' q q' q b b
事象選別の信号： ≧５ jets, Σ ET , b tagging

b tagging:◎ silicon vertex detector(SVX) で b の崩壊点を検出。
◎ b 崩壊から来る低 pT のsoft lepton を検出(SLT)。

トップクォーク候補事象の一例

W（→lν）+ジェット事象のジェット数分布

トップクォーク生成の証拠
Run 1A (1992-93, 19 pb-1 ) の結果 PRL('94); PRD('94)
観測事象数bkgd 期待値
統計的有意性
Dilepton 2 events
0.56 +0.25/-0.13
12.0%
SVX6 tags
2.3 ± 0.3
3.2%
SLT7 tags
3.1 ± 0.3
4.1%
三つを総合した統計的有意性：P = 0.26% (2.8σ)
質量分布（Lepton + 4 jets 事象の再構成）

M top = 174 ± 10 (統計) +13/-12(系統) GeV/c2σ ( t t ) = 13.9 +6.1/-4.8 pb

トップクォーク生成の確認
Run 1A +1B ; 67 pb-1 の結果 PRL('95)
観測事象数 bkgd 期待値 統計的有意性
Dilepton
6 events
1.3 ± 0.3
3x10-3 (2.7σ)
SVX
27 tags
6.7 ± 2.1
2x10-5 (4.0σ)
SLT
23 tags
15.4 ± 2.0
6x10-2 (1.9σ)
三つを総合した統計的有意性：P = 1x10-6(4.8σ)
質量分布（Lepton + 4 jets 事象の再構成）

M top = 176 ± 8 (統計) ± 10 (系統) GeV/c2
σ ( t t ) = 6.8 +3.6/-2.4 pb

Run 1: 110 pb-1全データ の解析結果
ダイレプトン･チャンネル
10 事象（ eµ: 7, µµ: 2, ee: 1 ）バックグラウンドの推定：2.1 ± 0.4 事象
レプトン＋＞3ジェット・チャンネル（SVX を用いたb-tagging）
34 事象
バックグラウンドの推定：8.0 ± 1.4 事象
内訳：
Mistags
2.0 ± 0.4
Wbb, Wcc
2.7 ± 0.7Wc
0.8 ± 0.3
（SLT を用いたb-tagging）
40 事象
バックグラウンドの推定：24.3 ± 3.5事象（SVX，SLT を用いて2ジェットのb-tagging）
9 事象
バックグラウンドの推定：0.4 ± 0.1事象
マルチジェット ( All Hadronic )･チャンネル
192 事象
バックグラウンドの推定：148 ± 10事象Zbb, Zcc
0.3 ± 0.1
Z → ττ, WW, WZ 0.3 ± 0.1
Non-W（ bb を含む）1.9 ± 0.7

トップクォーク生成断面積σ ( t t ) ｂｙ CDF ＝6.5+１.7/-1.4 pb

トップクォークの質量の直接決定
Lepton + ≥ 3 jets 事象のサンプルから 4 jets の事象を選ぶ。
第 4 ジェットの ET は 8 GeV 以上であればよい。
ジェットが 5 個以上あるときは ET の高い順に 4 個とる。
Lepton + 4 jets 事象を t t 生成を仮定して運動学的に再構成する。
p p → t 1 + t2 + X
t1 → W1 + b1
t2 → W2 + b2
W1 → l + νW2→ j1 + j2全てのジェットの組み合わせを試す。
b tag 付きジェットは b1 または b2 とする。
Pz (ν) の２つの解を試す。
ジェットのエネルギーは測定精度の範囲内でスキャン。
各事象に対し多重解。χ2 最小の解を再構成質量とする。
163 個の Lepton + 4 jets 事象中フィットできたのは 153 個。

４つの異なるb tag サブサンプルのトップクォーク質量分布

bkgd（主に W + jets 直接生成）は推定値 に constrain して、質量分布を（質量 Mtop の信号）+（bkgd） にフィットして Mtop を決める。
サブサンプル 観測事象数 bkgdの割合(%) Mtop(GeV/c2)
SVX b-tag 2個
55 ± 3
170.1 ± 9.3
SVX b-tag 1個
1513 ± 5178.0 ± 7.9
SLT b-tag 1個
1440 ± 9142 +33/-14b-tag 0個
4256 ± 15181.0 ± 9.0(ET(jet4) > 15GeV)

レプトン＋４ジェット事象のトップクォーク質量分布：
76事象（４つのサブサンプルの和）

Mtop = 175.9 ± 4.8 (stat) ± 4.9 (syst) GeV/c2 = 175.9 ± 6.9 GeV/c2
Combined CDF results ( all channels )= 176.1 ± 6.6 GeV/c2
Mtop
Combined Tevatron results ( CDF＋D0 )= 174.3 ± 5.1 GeV/c2Mtop

トップクォークの質量の系統誤差

GeV/c2%ジェットのエネルギー・スケール

4.42.5

グルオン放射による効果

1.81.0

バックグラウンドの分布1.30.7b-タグによるバイアス

0.40.2

パートン分布関数

0.30.2

全体で4.9GeV/c2 ( 2.8% )ジェットのエネルギー・スケールの不確定性からくる寄与が4.4GeV/c2 ( 2.5% )と支配的である。
この不確定性の精度はレプトン＋ ≥ ４ジェット事象の中の２ジェットの不変質量分布が示すＷボソンのピークによっても確かめられる。

Ｗボソンのハドロン崩壊の観測 PRL('98)
レプトン＋ ≥ ４ジェット事象の中の２ジェットの不変質量分布：（１）b tag する前の153 事象のうちＨ＞310GeVを満たす81 事象。
ここで、H = ET( lepton ) + Σ ET ( jet )+ missing ET（２）2つのジェットがb tag された10 事象。
（１）

（２）

２つのサンプルの解析結果を合わせると、● W→2 jetsの信号の統計的有意性は3.3σ ( Prob=5.4x10-4 )● MW = 77.2 ± 3.5(stat) ± 2.9(syst) GeV/c2
これによって、レプトン＋４ジェットのトップ候補事象の中に２つのＷボソンがあることと、ジェットを質量再構成に用いることの正当性とを示した。

トップクォークとWボソン質量測定によるヒッグス粒子の間接探索
テバトロン実験 Run Iの成果 :Mtop = 174.3 +- 5.1 GeV/c2
MW = 80.452 +- 0.062 GeV/c2
Run II青田 慎（筑波大）博士論文
湊 浩之（筑波大）博士論文

ヒッグス粒子の質量に与えられる
現在の制限 : MHiggs < 211 GeV@95%CL

RunⅡ（〜2005年末）:
ΔMtop < 3 GeV/c2 ΔMW 〜 30 MeV/c2→ ΔMHiggs 〜 30%

Bc中間子の発見
15種類の基本的な中間子＿＿̲

̲

u

uu

dπ,η,η 'π+

̲ddπ,η,η '0＿＿̲̲̲s

ud0＿usK+

uc＿̲

̲ds0K̲

トップクォークは寿命が10-24秒とハドロン化の時間（ 10-23秒）よりも短いので、ハドロンになる前に崩壊する。

css
η,η '0Ddc
D̲bub
B+̲db0Bud̲scD -ssb
Bsscccb+Bcc

̲J/ψ̲̲bb

1998年3月：CDF実験で発見ΥbF. Abe et al., PR D58, 112004(1998)

発見以前の理論予言
Bc中間子の質量： 6.27±0.02GeV/c2
E. Eichten et al., PR D49, 5845(1994)
Bc中間子の寿命： 0.4〜1.4 psec
M. Beneke et al., PR D53, 4991(1996)

国際会議等での発見報告
1998年3月 Moriond QCD,Les Arcs, France “Rare Decays, Mixing and CP
Violation Studies”
by Jun-Ichi Suzuki (University of Tsukuba)
1998年3月 Seminar at Fermilab, Batavia, USA “Observation of Bc mesons in
1.8-TeV pp colisions” by Shinhong Kim(University of Tsukuba)
1998年3月 La Thuile, Aosta Valley, Italy “Beauty Physics”
by Prem Singh(University of Pittsburgh)
1998年3月 Seminar at Oxford University, Oxford, Ingland “Observation of Bc
mesons in 1.8-TeV pp colisions” by Todd Huffman(University of Pittsburgh)Bc中間子の発見(1998年） 鈴木潤一（筑波大）博士論文
Bc中間子： ボトムクォークとチャームクォークの束縛状態。
15種類の基本的な中間子のうち、最後に発見された。
生成断面積と分岐比の積 vs 寿命
Bc→ J/ψlν崩壊モードのJ/ψ＋lの不変質量分布

τ ( B c ) = 0.46 ± 0.18 psN（Bc）＝ 20.4＋6.2ー5.6+ 0.061
σ ( p p → B c X)BR( B c → J / ψlν )= 0.132- 0.052
σ ( p p → Bu X)BR( Bu → J / ψK )

ヒッグス粒子探索についての記事

CERN研究所（ジュネーブ）でヒッグス粒子の候補事象が見えた。
これが事実かどうかはフェルミ研究所での陽子反陽子衝突実験で明らかにできる。

ヒッグス粒子の探索
軽いヒッグス粒子 ( MH < 150GeV/c2)
陽子中のクォーク反陽子中の反クォーク_bb

重いヒッグス粒子 ( MH > 150GeV/c2)
陽子中のグルオン

W+W-

反陽子中のグルオン

ヒッグス粒子（標準模型）の生成断面積と崩壊分岐比
生成断面積

生成断面積ｘ分岐比

CDF Run I VH searches ( 106 pb-1)
WH0→ lν + bbExpect: 30±5 st
6.0±0.6 dt
Observe: 36 st

W / Z + H 0 → qq ' + bb

Expect:
600 events

6 dt

Observe:580 events

ZH 0 → l + l − + bb

ZH 0 → νν + bb

Expect: 3.2±0.7 stObserve: 5

Expect: 39.2±4.4 st
3.9±0.6 dt
Observe: 40 st4 dt

VH Production Cross Section Limit

95% CL Limit isabout 30 times
higher than SM
prediction for Mhiggs= 115GeV/c2.

- (pb)
σ(pp- → VH) × BR(H → bb)

CDF PRELIMINARY Run I
95% C.L. upper limits- ll bb- bblνqq- bb- bbνν

10VH combined

1Standard Model
10-190100110120130

Higgs Mass (GeV/c2)

今後のヒッグス粒子探索•MH < 130 GeV/c2pp →WHX →l ν + bb + X•125 < MH < 160 GeV/c2

pp →WHX →l ν +W* W*+X
(like-sign dilepton +jets)•150 GeV/c2 < MH(RUN2B)

95％信頼度で検出生成の証拠（３σ）
発見（５σ）

pp →HX →WW X →l ν l ν X
RUN2(〜200９)
95％信頼度でMH < 1８0 GeV/c2検出可能
MH < 130 GeV/c2 の証拠 (3σ evidence)(RUN2A)

テバトロン加速器でのヒッグス粒子探索
証拠検出可能なヒッグス粒子の質量 MH(GeV/c2 )(95%信頼度で検出できるMH ）
100

150

200
実験開始(RUN2a)

2001年12月

2005年12月

2009年12月

LEP 2 のヒッグス粒子

超対称性理論の軽いヒッグス粒子の質量上限

まとめ
CDF実験RUN2（2001年〜）で以下の成果が期待される。
•

3年間の実験で1000 t t 事象が収集され、ΔMtop 〜3GeV/c2でMtopが測定できる。同時にΔMW 〜30 MeV/c2でMＷが測定できる。これらよりΔMH〜0.3MH でヒッグスの質量を間接的に測定できる。

•

今後6年間の実験で– 95%信頼度で MH < 180GeV/c2のヒッグス粒子検出可能。
– MH < 130GeV/c2のヒッグス粒子の生成の証拠（3σ)。

超高エネルギー衝突実験の現状と計画
I
テバトロン陽子反陽子衝突実験 (FNAL, 米国)
2TeV
LEP電子陽電子衝突実験(CERN,ヨーロッパ)
206GeV
LHC陽子陽子衝突実験(CERN,ヨーロッパ）
14TeV
LC電子陽電子衝突実験(建設地未定)500GeV- 1TeV

2000年
I

2005年

2010年
I

MH <180GeV/c2 ならば検出(95%信頼度)

MH=115GeV/c2 ?
(99%信頼度)

MH <1TeV/c2 ならば検出
超対称性粒子も存在すれば検出

MH <0.9TeV/c2 ならば検出
超対称性粒子も存在すれば検出