素粒子研究の発展と展望
津村浩二 (京都大学)
2019/7/8 岡山理科大学セミナー

素粒子とは根源的な構成要素は何か？ それを支配する法則は何か？

2012

ちなみに10数年ぶりの新粒子発見, 最初に予言されてから約50年これまでに知られている構成要素と質的に異なる粒子
実際, 素粒子標準模型の臭い部分を一人で担う

もくじ
l 量子論と相対論の融合
l 電磁場の量子論と４つの力
l ゲージ理論と対称性の破れ
l ヒッグスの重要性
l 標準模型を超えるもの

事の起こり量子論 ＋ 相対論
現代物理学の二本柱黒体輻射（エネルギー量子）

光電効果（光量子）

量子論

二重スリット（電子の波動性）

量子論
粒子＝(確率の)波クーロン力(遠隔力)：瞬間的に伝わる

相対論

矛盾？

光速度不変(どんな信号も光速を超えられない)

近接力(力は波となって伝わる)(電荷を持った)物質は周りに場を作る→ 物体が動く → 電磁波として伝わる

相対論的場の理論
力＝場＝(確率の)波相対論的場の量子論= 量子論 + 相対論場の理論

ディラック, パウリ, ハイゼンベルグ, フェルミ など多数

量子電磁気学(QED)

l 電子や陽子などの電荷を持つ粒子による光子(光量子)の放出, 吸収として理解できる
ミュオン

電子

陽電子

光子

反ミュオン

場としての性質と粒子としての性質を併せ持つ（光子の放出, 吸収により場が作られる）

４つの力
l電磁気力
l重力
l強い力
l弱い力

グラビトン（重力子）：未発見

グルーオン（膠着子, 糊粒子）
８人兄弟
弱ボソン（W粒子, Z粒子）
３人兄弟
※麦わら、、、メキシカンハットには意味があります電磁気力
l電磁気力：力の強さは電荷 Q に比例v 日常経験する重力以外の全ての力の素（磁石, 電流, 静電気, 電波, …）
v 相互作用の届く距離はv 電荷の符号が異なると引力, 同じだと斥力重力l重力：力の強さは質量 m に比例v りんごを落とす力v 相互作用の届く距離はv 常に引力重力は(電磁気力に比べて)弱い
電磁気力:
素粒子の標準模型では量子化されない à (超)弦理論

強い力の低エネルギー有効理論として理解される

核力(核子に働く力)

lπ中間子の交換で原子核を構成する（陽子同士の電気的斥力に勝って核子を安定化させる）

湯川秀樹が相互作用の及ぶ距離からその存在と質量を予言

強い力
lクォークを核子の中に閉じ込める力

v 色電荷を持つ
v 短距離では電磁気力と同じくらいの強さ
v 長距離ではバネのように力が強くなる
v グルーオンを媒介する力が核子の質量の99%（この意味でヒッグスは万物の質量の源でない）素粒子の質量の源ではある弱い力
l粒子の種類を変える力

v 原子核の崩壊過程（中性子→陽子＋電子＋ニュートリノ＋エネルギー）v 太陽での核融合反応（水素原子核＋水素原子核→重水素原子核＋陽電子＋ニュートリノ＋エネルギー）v 陽子の80倍の質量を持つW粒子を交換（重いので近距離でしか相互作用しない）

4つの力 まとめこれらの違いを統一的に理解したい!!

ゲージ理論

先ほどの力はゲージ力とも呼ばれる

(復習)

電磁気学とゲージ変換
l マクスウェル方程式
ベクトルポテンシャルで書き直せる

スカラーポテンシャルを加えて書き直せる

電磁気の基礎方程式は (A,φ) で書き表わせたが, 次のような不定性が残る
Λ は任意の関数

この自由度をゲージ変換という（逆に Λ を上手く選んで式を簡単にできる）

量子力学とゲージ変換(復習)

l 運動量演算子と不確定性関係は１対1？
?
(左から右):(右から左):という不定性がある

波動関数を上手く位相変換してやると消せる

この時の局所位相変換をゲージ変換というゲージ変換まとめ
電磁ポテンシャルのゲージ変換

波動関数のゲージ変換

どちらもゲージ変換と呼んだが, これらの間の関係は？

電磁場中の荷電粒子(復習)

ローレンツ力：
対応するラグランジアン
共役な運動量：量子論に移行

微分とベクトルポテンシャルが関係した

ゲージ変換まとめ
電磁ポテンシャルのゲージ変換
波動関数のゲージ変換

どちらもゲージ変換と呼んだが, これらの間の関係は？

どちらも運動量演算子に余分な項を追加する変換と選べば何もなかったことに…

ゲージ対称性
波動関数のゲージ変換

このように定義された“微分”はゲージ不変

ローレンツ力からの類推を対称性の言葉で理解できた

ゲージ対称性の要請により, 相互作用が自動的に決まる

理論(ここでは量子電磁気学)の作り方
l 登場する粒子（物質）を決める

l 対称性（ゲージ or/and グローバル）を決める
l 他の相互作用や質量項

自由なディラック場の波動方程式（ディラック方程式）
これを導くラグランジアン
ゲージ不変にする

電子の電磁相互作用は光子の交換として理解できる!!

くりこみ
一般にループを持つ散乱振幅は発散する
発散

発散

4点以上は発散なし

２点と３点の発散は元の相互作用の基準点をズラして吸収模型で与えたパラメータ
運動項

電磁相互作用発散する相互作用の数が模型で与えた相互作用の数より少なければ吸収できる → 繰り込み可能

くりこみ可能理論は高精度の予言ができるII(c)
III
IV(a)
IV(b)
IV(c)
IV(d)
V

12
150
18
60
48
18
518

−0.073 445 8 (54)1.417 637 (67)0.598 838 (19)0.822 36 (13)
−1.138 52 (20)−0.990 72 (10)c−2.1755 (20)−0.095 097 (240.817 92 (95)0.635 83 (44)0.041 05 (93)−0.1897 (64)−0.1778 (12)0

4つの力 まとめ

I(a)

I(b)

I(c)

I(d)

I(e)

I(f)

I(g)

I(h)

I(i)

I(j)

II(a)

II(b)

II(c)

II(d)

II(e)

II(f)

III(a)

III(b)

III(c)

IV

V

VI(f)

VI(a)

VI(b)

VI(c)

VI(d)

VI(e)

VI(g)

VI(h)

VI(i)

VI(j)

VI(k)

FIG. 2.
Typical self-energy-like diagrams representing 32
gauge-invariant subsets contributing to the tenth-order lepton
他の力も同じように理解したい
g−2. Solid lines represent lepton lines propagating in a weakmagnetic field.

電磁気力を高精度(10桁以上)で検証!!

i
g
h
s
f
I
d
T
l
a
c
f
h

[
c
u
b
t
p
t

aS(Q)

4つの力 まとめ

0.24

CMS Preliminary+0.0065
CMS Incl. Jets : aS(MZ)=0.1185-0.0041
CMS R32
CMS tt cross section
CMS 3-Jet mass
CMS Incl. Jets

0.22
0.2
0.18
0.16
0.14
0.12
0.1
0.08
0.06

D0 inclusive jets
D0 angular correlation
H1
ZEUS

10

102

103

Q (GeV)

強い力もTeVスケールまで検証!!
LHC以前でも数100GeVまで検証4つの力 まとめ短距離力：湯川理論との類推で質量を持つゲージ粒子？

ゲージ対称性は質量を禁止!!
電磁場のラグランジアンはゲージ不変：
Fはゲージ不変な微分項

質量を “手で” 加えてみる(マクスウェル方程式)

光子はゲージ対称性により質量を持てない→ヒッグス機構

隠された対称性
理論の対称性(対称性の破れた)

我々の世界

理論は Φ→ - Φ の対称性を持つ

ポテンシャルの底 (真空) に住む我々には対称性は見えない

我々の世界では次の置き換え

隠された対称性
理論の対称性(対称性の破れた)

我々の世界

質量 :

理論は Φ → eiθ Φ の対称性を持つ

v [真空期待値]がゼロであれば対称性が回復(質量はゼロにいく, ゲージ対称性と無矛盾な質量)

この例では軸周りの回転対称性は残る

ゲージ対称性の破れでは回転対称性の自由度がゲージボソンに転化される→ヒッグス機構

我々の世界では次の置き換えいわゆる標準模型

電磁気力と弱い力の統一
真空がゼロなら？

質量 :W粒子も光子も区別がつかない（弱い力も電磁気力も区別がつかない）

スティーブン・ワインバーグ
電弱統一理論(1967)[弱い力と電磁気は同じ力]

標準理論の成功（弱い力の起源）
v
e

μ

v

v

μ
W

e
v

GF は真空期待値そのものだった!!

ミューオンの崩壊なので p2 は大きくても Mμ2

標準模型の成功（弱ボソンの発見）
パラメータの整理：標準模型の電弱セクターにはgʼ, g, v の３つしかパラメータがない
ミューオン崩壊で決める

トムソン散乱で決める

中性カレントの発見(&測定)で決める

W, Z の質量を予言（→発見）標準模型の成功（トップの発見）
t, b

W, Z

<latexit sha1_base64="PJZJ+F+H9FUmepGtkZkaZRQq/Vk=">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</latexit>

量子補正の計算と精密測定の比較からt質量を予言（→発見）

Introduction

mt [GeV]1

質量の二次に比例する大きな補正

200
190

180

170
160

Measurements
Tevatron

150

LHC
Tevatron + LHC

140

1995

2000

2005

Results of the EW fit
68% confidence levels
PDG
LEP EW WG
Gfitter, incl. MH(searches or meas.)

2010

2015

Year

トップの発見Figure 1: Prediction of the top quark mass versus year as obtained by various analysis groups uelectroweak precision data (grey [5], light blue [4], green [6]). The bands indicate the 68% confid
level. The direct mt measurements after the top quark discovery are displayed by the data points

180

標準模型の成功（ヒッグスの発見）
170

h

160

Measurements
Tevatron

150

LHC
Tevatron + LHC

140

1995

W, Z
2000

2005

Results of the EW fit
68% confidence levels
PDG
LEP EW WG
Gfitter, incl. MH(searches or meas.)

2010

2015

Year

<latexit sha1_base64="PJZJ+F+H9FUmepGtkZkaZRQq/Vk=">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</latexit>

量子補正の計算と精密測定の比較からh質量を予言（→発見）

MH [GeV]Figure 1: Prediction of the top質量のquark masslog
versusに比例する補正
year as obtained by various analysis groups uelectroweak precision data (grey [5], light blue [4], green [6]). The bands indicate the 68% confid
level. The direct mt measurements after the top quark discovery are displayed by the data points
ange [2, 3, 11, 15, 16], red [13, 14, 20], black [12]).

300
Measurements
LHC

250

200

Results of the EW fit
68% confidence levels
PDG
LEP EW WG
Gfitter
Gfitter incl. direct searches

150
100

50

0

2000

2005

2010

2015

Year

ヒッグスの発見

Figure 2: Prediction of the Higgs boson mass versus year as obtained by various analysis groups using
troweak precision data (grey [5], light blue [4], dark blue [6]) and including direct search results (green
The bands indicate the 68% confidence level. The direct MH measurements after the Higgs boson disco

2012

ちなみに10数年ぶりの新粒子発見, 最初に予言されてから約50年

ヒッグスの検証

標準模型の成功[pb]

Standard Model Total Production Cross Section Measurements
1011

500 µb 1

Status: July 2018

ATLAS Preliminary

80 µb 1

Run 1,2106p

Theorys = 7,8,13 TeV

ゲージ理論の成功

105
104

LHC ppps = 7 TeV
Data 4.5

LHC ppps = 8 TeV
Data 20.2

LHC pp

4.6 fb 1

20.3 fb 1

p
s = 13 TeV
Data 3.2

79.8 fb 1

未検証のヒッグスセクター

103
102

total

101

2.0 fb 1
VBF
VH

1

t t̄H

10

1

pp

W

Z

tt̄

t
t -chan

WW

H

Wt

WZ

ZZ

t tt̄W tt̄Z tZjs -chan1 Introduction

4

mt [GeV]

ゲージ力とヒッグス力
3

(8)

I(b)

I(c)

I(d)

I(e)

I(f)

I(g)

I(h)

I(i)

I(j)

II(a)

II(b)

II(c)

II(d)

II(e)

II(f)

III(a)

III(b)

III(c)

IV

VI(a)

VI(b)

VI(c)

VI(d)

VI(e)

mt [GeV]

I(a)

(8)

A2 (me /mτ ) × 105
0.000 080 233 (5)0.000 602 805 (26)0.006 981 9 (12)0.087 44 (1)−0.045 648 (7)−0.030 393 7 (42)−0.071 697 (25)0.6061 (12)0.451 17 (69)0.014 31 (95)−0.102 (11)−0.0927 (13)0

QED 10th order

V

170

ゲージ力：
(8)

A2 (me /mµ ) × 103
0.000 226 456 (14)0.001 704 139 (76)0.011 007 2 (15)0.002 472 5 (7)−0.086 446 (9)−0.039 000 3 (27)−0.095 097 (24)0.817 92 (95)0.635 83 (44)0.041 05 (93)−0.1897 (64)1 Introduction−0.1778 (12)0

A3 × 107
0.000 011 994 (1)0.000 014 097 (1)0.172 860 (21)00−0.458 968 (17)−1.189 69 (67)08.941 (17)
0
0
0
0

160

Measurements
Tevatron

150

LHC
Tevatron + LHC

140

1995

2000

2005

Results of the EW fit
68% confidence levels
PDG
LEP EW WG
Gfitter, incl. MH(searches or meas.)

2010

2015

Year

Figure 1: Prediction of the top quark mass versus year as obtained by various analysis groups using
electroweak precision data (grey [5], light blue [4], green [6]). The bands indicate the 68% confidence
level. The direct mt measurements after the top quark discovery are displayed by the data points (orange [2, 3, 11, 15, 16], red4[13, 14, 20], black [12]).

EWPT (1-loop)

200

including subtraction of ultraviolet and infrared divergences [40]. By gencodeN and its modifications forhandling190vacuum-polarization loops and light-by-lightscattering loops, we have obtained fortran programs
180 subsets [12, 14–18]. The subsets III(c) andfor 12 more
I(j), which involve one(two) light-by-light scattering subdiagram(s)170 internally, were handled manually [11, 19].
The subset II(e), which contain a sixth-order light-bylight-scattering subdiagarm internally, was handled
byof the EW fit
Results
160
68% confidence levels
an automation procedure [13].Measurements
At least two independent
Tevatroncodes for non-automated programs
were written by PDG
difLEP EW WG
150
LHC in order to minimize
ferent membersof our collaboration
Gfitter, incl. MH
Tevatron + LHC
human errors.
(searches or meas.)

pQCD ≥1TeV (LHC)

300
250

200

150

Measurements
LHC

Results of the EW fit
68% confidence levels
PDG
LEP EW WG
Gfitter
Gfitter incl. direct searches

aS(Q)

A1
0.000 876 865 · · ·a
0.015 325 20 (37)0.011 130 8 (9)b0.049 514 8 (38)−0.420 476 (11)−0.027 674 89 (74)−0.073 445 8 (54)1.417 637 (67)0.598 838 (19)0.822 36 (13)
−1.138 52 (20)−0.990 72 (10)c−2.1755 (20)MH [GeV]

(8)

nf
1
6
3
15
36
6
12
150
18
60
48
18
518

190

180

TABLE I. The eighth-order QED contribution from 13 gauge-invariant groups to electorn g−2. The values with a superscript(8)a, b, or c are quoted from Refs.[37], [8], or [38], respectively. nf shows the number of vertex diagrams contributing to A1 .
(8)
(8)
Other values are obtained from evaluation of new programs. The mass-dependence of A3 is A3 (me /mµ , me /mτ ).
group
I(a)
I(b)
I(c)
I(d)
II(a)
II(b)
II(c)
III
IV(a)
IV(b)
IV(c)
IV(d)
V

200

0.24

0.2
0.18
0.16
0.14

100

0.12

50

0.08

0.1

0.06

140
0
All integrals
wereevaluated
by VEGAS
1995 numerically
2000
2005
2010
2015
2000
2005
2010
2015
[39]. For some diagrams of the sets IV and V that contain
Year
Year
cancellation of linear IR divergence within a diagram, weused the quadruple-precision
arithmetics
to avoid
possi- by various analysis groups using
Figureof the top quark mass
versus year
as obtained
FIG. 2.
Typical self-energy-like diagrams representing
32 1: Prediction
Figure 2: Prediction of the Higgs boson mass versus year as obtained by various analysis groups using elecble
round-oﬀ
TheThecongauge-invariant subsets contributing to the tenth-orderelectroweak
leptonprecision
dataerrors(grey of[5],numericallight bluecalculations.
[4], green [6]).
bands indicate
68% confidence
troweakthe
precision
data (grey [5], light blue [4], dark blue [6]) and including direct search results (green [6]).
the tau-particle
looptopto quark
ae is discovery
negligibleareat displayedg−2. Solid lines represent lepton lines propagating in alevel.
weak The tribution
direct mt ofmeasurements
after thethe data
points(or- confidence level. The direct MH measurements after the Higgs boson discovery
Theby
bands
indicatethe 68%magnetic field.
present.
Thus
the
sum
of
(6)
and
(9)
gives
eﬀectively
theange [2, 3, 11, 15, 16], red [13, 14, 20], black [12]).
are displayed by the red data points [9, 10, 17–19].
total tenth-order QED contribution to ae .
slight modification of programs for the eighth-order diaThis work is supported in part by the JSPS
grams. Together with the results of subsets VI(j,k), theGrant-in-Aid for Scientific Research (C)20540261 and(10)
contributions from 17 subsets to A1
were evaluated300(C)23540331.
T. K.’s work is supported in part by theand published [10]. We recalculated all 17 subsets once
Measurements
EW fitU. S. National Science Foundation
under Results
Grantof the
NSF68% confidence levels
more from scratch and found that the results of I(d), I(f),LHC
PHY-0757868.
T. K. thanks RIKEN for the hospitality
250
PDG
II(a), II(b), and VI(c) in [10] were incorrect. Althoughextended to him while a part of this work was
LEPcarried
EW WG
the constructed integrals for the first four subsets are freeout. Numericalcalculations are conducted on RSCC
Gfitter and200
from errors, they did not include the finite renormalizaGfitter incl. direct searches
RICC supercomputer systems at RIKEN.
tion terms in the last step of the calculation. The valueof the subset VI(c) was a typo. The corrected values are
150
listed in Table II.
Other subsets are far more diﬃcult to handle. Thus100
we developed and utilized the code-generating algorithm[1] D. Hanneke, S. Fogwell,and G. Gabrielse,
Phys. Rev. Lett. 100, 120801 (2008).
gencodeN which carries out all steps automatically,
VI(g)

VI(h)

VI(i)

VI(j)

VI(k)

D0 inclusive jets
D0 angular correlation
H1
ZEUS

10

102

103

Q (GeV)

いまや “ゲージ原理” と呼ばれるまでに確立
MH [GeV]VI(f)CMS Preliminary+0.0065
CMS Incl. Jets : aS(MZ)=0.1185-0.0041
CMS R32
CMS tt cross section
CMS 3-Jet mass
CMS Incl. Jets

0.22

ヒッグス力：
50

ヒッグス原理確立に向けて精密検証が必要
0

2000

2005

2010

2015

Year

Figure 2: Prediction of the Higgs boson mass versus year as obtained by various analysis groups using electroweak precision data (grey [5], light blue [4], dark blue [6]) and including direct search results (green [6]).
The bands indicate the 68% confidence level. The direct MH measurements after the Higgs boson discovery
are displayed by the red data points [9, 10, 17–19].

質量の起源とヒッグス力

ヒッグス機構湯川相互作用

自己相互作用（確認） （第３世代については確認） （未確認）

結合のオーダーが確かめられたに過ぎない
素粒子の質量起源はまだ分かっていない

発見から測定へ

Combination(ATLAS, CMS)
個別モードも統計が貯まってきた.2*(ggF, VBF, WH/ZH, ttH) .2*(γγ, ZZ, WW, ττ, bb) !+/-2&,"（ヒッグスが新しい検証ツールとして確立しつつある）

• 

)3

genericparametrization)!# (ATCMSggF
γγ, ZZ, WWATLAS WW
(1σ )

ATLACMS1

BSMBBSM < 0.26(95% C.L.)4つの力 まとめ

重力は弱い

(現状では現象に効かない)ヒッグス工場
HL-LHC
L~7x1033
Pile-up~20-35

L=1.6x1034
Pile-up~30-45

2040〜

L=2-3x1034

L=5x1034

Pile-up~50-80

Pile-up~ 130-200

FCC

CEPC/SppC Siting (example)

Preliminary selected Qinhuangdao (秦皇岛）(one of the candidate sites)
Strong support by the local government

2030〜

CEPC

2028〜

ILC

https://www2.kek.jp/ilc/ja/manga/

標準模型を超えるもの

ground events in Run 9 and Run 10 in the FV. The fractional
uncertainties of expected events in the table are 13% (Run 9 ER),
20% (Run 10 ER), 45% (accidental), and 50% (neutron),
respectively, and are propagated into that for the total fitted
events. The below-NR-median ER background for Run 9 was
updated using the new ER calibration. The corresponding best fit
background nuisance parameters [δb ’s in Eq. (2)] are 0.123(127Xe), 0.135 (tritium), −0.105 (flat ER), 0.111 (accidental), and−0.098 (neutron). The number of events from the data are shownin the last column.

and four sets in Run 10 (nset ¼ 18) to reflect differentR
operation conditions in the TPC fields and electron lifetime.
aµ− == 11 659 214(8)(3) × 10−10 (0.7 ppm),
λ−R
For each data set n, N nmeas and N nfit represent the measured(3)
and fitted total numbers of detected events; N nDM and N nb are
where Rµ− ≡ ωa /ωp = 0.003 707 208 3(2 6) and λ =the numbers of WIMP and background events, with theircorresponding PDFs PnDM ðS1; S2Þ and Pnb ðS1; S2Þ. µThe= 3.183 345 39(10) [11].
This new resultµ /µp
detection efficiencies needed for determining the detected
is in good agreement with the average of Rµ+ =numbers of events are either contained in the PDF,0.003
or 707 204 8(2 5) [2] as predicted by the CPT theorem.

たくさんの新物理へのヒント
Accidental Neutron

Run 9
376.1
Below NR
2.0
medianRun 10172.2
Below NR
0.9
medianTotal
FittedTotal
Observed

13.5
0.9

0.85
0.35

390 % 50
3.2 % 0.9

389
1

3.9
0.6

0.83
0.33

177 % 33
1.8 % 0.5

177
0The final candidates in Runs 9 and 10 were combined tosearch for WIMPs. An unbinned likelihood function wasconstructed as
Lpandax ¼

!Y
nset
n¼1

10

WIMP-nucleon cross section (cm2)l ニュートリノ質量
l バリオン数非対称l インフレーションl 暗黒物質, 暗黒エネルギー
ER

The diﬀerence ∆R = Rµ− − Rµ+ = (3.5 ± 3.4) × 10−9 .
The new average is Rµ = 0.003 707 206 3(2 0) and−44aµ (exp) = 11 659 208(6) × 10−10 (0.5 ppm),

10−45This work
LUX 2017
XENON1T 2017

10−46

" !
"
Y
Ln × GðδDM ; σ DM Þ Gðδb ; σ b Þ ; ð2Þ

PandaX-II 2016

10

b

where

102
103
WIMP mass (GeV/c2)

104

n
fit

i¼1

n
b

b

b

keV

3

30

nr

n
b
n
fit

i

60

40

n
DM

i

i

i

90

2.5

2

10

DM

a µ× 10nDM

WIMP-nucleon cross section (cm2)

N nmeas- 11659000(a) log scale in m x

l 高エネルギー宇宙線スペクトル[ AMS-02,… ]!Y#N ð1 þ δ ÞP ðS1 ; S2 Þ×Nl PeVスケールのニュートリノ
X N ð1 þ δ ÞP ðS1 ; S2 Þ$"
þ
:
ð3Þ
N
l ミューオンの異常磁気モーメントのずれ
l B, K中間子系でのレプトン普遍性の破れ
l Vubの包括過程と排他過程での測定の差
l 陽子の荷電半径異常(b) linear scale in ml Atomkiアノーマリー X17MeVàe+e- 新粒子
l 中性子の寿命の測定方法による差
l トップの前後非対称性 [ CDF, D0 ]l 3.5 KeV X線ライン [ XMM-Newton]
181302-5l ...
log10(S2/S1)

in which the total uncertainty consists of 5 × 10
(0.4 ppm) statistical uncertainty and 4 × 10−10 (0.3 ppm)
systematic uncertainty. The correlation of systematic uncertainties between the data sets has been taken into account. The combined result for the positive muon [3],aµ+ (exp) = 11 659 203(8) × 10−10 (0.7 ppm) has a statistical uncertainty of 6 × 10−10 (0.6 ppm) and a systematic
uncertainty of 5 × 10−10 (0.4 ppm). It is shown in Figure 4 together with the new result for the negative muonand their average.

10−43

Ln ¼ PoissðN nmeas jN nfit Þ

(4)

−10

10−44

−45

10

230
220

µµ+

Avg.

210

[ τ]

200
+

[e e -]

190
180

This work170

LUX 2017

160

XENON1T 2017

Experiment

Theory150

PandaX-II 2016

10−46

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000

1.5

WIMP mass (GeV/c2)

1

4

3

3

4

5

5

7

10

6 7 8 9 10

15

20

20

25

30

40

S1 [PE]

FIG. 4. The distribution of log10 ðS2=S1Þ vs S1 for the DM
search data in Run 10, overlaid with the corresponding median,
10% quantile, and 90% quantile of the ER background PDFs. The
red curve is the NR median from the AmBe calibration.

x[1] V.W. Hughes and T. Kinoshita, Comments. Nucl. Part.

FIG. 5. The 90% C.L. upper limits versus mχ [(a) log scale,(b) linear scale between 40 GeV=c2 and 10 TeV=c2 ] for the spin Phys. 14, 341 (1985).
independent WIMP-nucleon elastic cross sections from [2]the H.N. Brown et al., (Muon (g − 2) Collaboration), Phys.
combined PandaX-II Run 9 and Run 10 data (red), overlaid Rev. D62, 091101 (2000); H.N. Brown, et al., (Muonwith that from PandaX-II 2016 [3] (blue), LUX 2017 [2] (g − 2) Collaboration), Phys. Rev. Lett. 86 2227 (2001).
(magenta), and XENON1T 2017 [4] (black). The green band
[3] G.W. Bennett et al., (Muon (g −2) Collaboration), Phys.
represents the % 1σ sensitivity band.
Rev. Lett. 89, 101804 (2002).

[4] A. Yamamoto et al., Nucl. Instrum. Methods Phys. Res.
A491 23 (2002); G.T. Danby et al., Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A 457, 151 (2001); S.I. Redin et al.,51 260 (2001);
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A473,
R. Prigl et al., Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A374
118 (1996).

たくさんの未解決問題
標準模型のヒッグスかどうか？
2nd ヒッグスは存在するか？
ヒッグスは基本粒子か, 複合粒子か？
電弱対称性の破れの起源は？
ヒッグス質量は軽いか重いか？ (自然さの問題)
新物理のスケールは？
電荷の量子化力の統一, 物質の統一
フェルミオン質量の階層性の問題
強い相互作用におけるCPの破れ
重力の量子化どうして我々はこんなに軽いのか？
我々はどうしてこんなに軽いのか？
物理学の歴史は単位の統一の歴史だった。

l自然さの問題

次元を持った基本定数の発見

組み立て単位： 距離，時間，質量
歴史：次元を持った基本定数の発見

I.Newton (1687)

A.Einstein (1905)

M.Planck (1900)
4

自然な質量：

陽子： mp = 1.67 x 10-24 g
電子： me = 9.11 x 10-28 g
我々はとっても軽いどうして我々はこんなに軽いのか？
l自然さの問題スタートラインに横並び素粒子に(超対称)パートナーがいれば解決する可能性がある[ フェルミオンとボソンの対称性, 超対称性は超弦理論でも必要とされる ]もっとも有望視されている模型だが, 実験により苦しくなってきている(偉い先生の作った理論がピンチなので若者は逆転を狙うチャンス)誰がミューオンを注文したか？
l世代の問題が物質創生の謎を解く？
電子と性質は同じだが、質量が200倍違う粒子が見つかった

小林益川理論(2008年ノーベル賞)
３世代あると物質、反物質の差を生む
実験的には確立したが, 宇宙の物質反物質非対称を説明するのには充分でない

誰がミューオンを注文したか？
l世代の問題が物質創生の謎を解く？
電子と性質は同じだが、質量が200倍違う粒子が見つかった10桁以上もの質量階層性
宇宙の組成にあまり関係ない粒子たちがてんでバラバラの質量を持つ理由も不明

大統一理論への夢
l 全ての粒子の起源も同じ
l 全ての力の起源は同じ

力はあるスケールで同じ強さ• SUSYƨƶƸȇơƩ2ðƘƹƂ
2ƩVðȀGUTȁ

Ģ2ƩĎ»ƽćȌďrÇĊȐ

大統一の証拠を捕まえろ！
l 全ての粒子の起源も同じ

ニュートリノ天文学で2002年ノーベル賞
クオークとレプトンを変える相互作用(とてもとても弱い相互作用)

Kamiokande = 神岡 Nuclear Decay Experimentハイパーカミオカンデ
ニュートリノ振動観測!! (1998)
à 梶田隆章氏 ノーベル賞 (2015)

超新星ニュートリノ観測!! (1987)
à 小柴昌俊氏 ノーベル賞 (2002)

2018/10/19-21 琉球大

津村浩二 (京都大)暗黒の世界へようこそl 我々はまだまだ無知
暗黒物質：26.8％
暗黒エネルギー：68.3％
我々はこの宇宙の4.9％を構成する物質の1％の質量をヒッグス場（99％は強い力）から得られたであろうことを知った

重力まで含めた統一理論
超弦理論：基本構成要素はひも（＋ブレーン）
閉じた弦

開いた弦

= 重力子(グラビトン)= ゲージ場l 有限長さを持つので量子論の紫外発散の問題がない
l 振動モードで多種の粒子を統一的に記述する可能性
l パラメータは弦の張力のみ

l 内部無矛盾性から強い制限 → 時空は10次元

まとめl素粒子標準模型がやっと完成した
lその検証はこれから(特にヒッグス(私見))lたくさんの残された課題
自然さの問題, 質量階層性の問題, 物質創成,
粒子と力の大統一, 暗黒物質, 重力の量子化,…

超弦理論, ゲージ/重力対応, 余剰次元とコンパクト化, 4次元はどこから？

困ったら空を見上げてみよう