ILC大学連携タスクフォースセミナー

国際リニアコライダー計画

ILCの物理2017/4/20@信州大学
倉田 正和（KEK）

1

今日の内容１．素粒子物理と宇宙

2．ILCについて

３． ILCで何がわかるか？
〜素粒子物理の謎〜
真空
最も重い素粒子
暗黒物質

2

素粒子と宇宙
分子・物質
原子• 宇宙初期には素粒子はありのままの姿でいた• クォーク・レプトン

原子核と電子• 時間がたつにつれ• 陽子・中性子• 原子核
陽子, 中性子, 電子 • 原子
• 分子
• 物質

クォーク, 電子

• 素粒子を調べることは歴史をさかのぼること3すばる望遠鏡

素粒子物理で宇宙をとらえる
直接観測
とらえるもの：電波、X線、γ線、
ニュートリノ、重力波(New!)

ハッブル望遠鏡
スーパーカミオカンデ

LIGO

加速器実験
• 粒子を光速に近く加速して正面衝突• 宇宙初期の状態を局所的に再現

4

ILC: 次世代の加速器実験• 電子と陽電子のビームが衝突• 重心系エネルギー250 – 500 GeV• 重心系エネルギー 数TeV へのアップグレード可能(更にその先へ…)

5

素粒子物理の謎

1. 真空の謎

2. 最も重い素粒子の謎

3. 暗黒物質(ダークマター)の謎
6

素粒子物理の謎

1. 真空の謎

2. 最も重い素粒子の謎

3. 暗黒物質(ダークマター)の謎
7真空の謎がひとつ解明
2012/7/4※我々の宇宙はヒッグス粒子の元となる場で満ち満ちている
約５0年間にわたり加速器実験により検証されてきた標準理論が完結した

2012年7月4日 CERNにて

8

メディアでもヒッグス粒子発見は大きなニュースとなった

9

素粒子の標準理論
Standard Model (SM)
力を伝える粒子• ヒッグス粒子
今までの粒子と全く違う性質をもつ• スピン0• すべての標準理論
粒子に質量を与える• なぜヒッグス粒子が存在するかは謎• ヒッグス場はほかの粒子の質量の元となる• 相互作用の強さが相手粒子の質量に比例する質量を与える粒子

10宇宙の相転移とヒッグス粒子
V（φ）

V（φ）

φ₀

φ
vacuum
南部陽一郎先生

Englert

初期宇宙

宇宙の膨張
による冷却

φ

vacuum
現在の宇宙

Brout

南部先生の「自発的対称性の破れ」のアイデアをもちい、ブルー、
アングレール、ヒッグスが素粒子が質量を持てることを示した。
Higgs

ヒッグス粒子の発見で、素粒子の質量が生まれるメカニズムが証
明 →2013年、ノーベル賞

11素粒子の質量の起源

V（φ）

抵抗のない真空

極高温のためヒッグス粒子は蒸発
素粒子は無質量

W

φ

t

b

vacuum
初期宇宙

抵抗なく運動可相転移
宇宙の膨張・冷却V（φ）
ヒッグスに満たされた真空

φ₀vacuum
現在の宇宙

真空は、ヒッグスが凝縮している状態に変化（相転移）した

W

φ

t

b
抵抗

加速しようとする粒子がヒッグスにぶつかって抵抗を受ける

質量≒粒子がヒッグスから受ける抵抗

12

ヒッグス粒子の謎 ヒッグス粒子は多くの謎を抱えている
a. ヒッグス粒子•

標準理論唯一のスピン0粒子• ヒッグス粒子は素粒子か？
• ヒッグス粒子は本当に1つなのか？

•

すべての標準理論粒子に質量を与える• 質量を与えるメカニズムがなぜこうなったのか？

ヒッグス粒子を徹底的に調べる！

13

そのために
ILCが
必要です！

14

ファインマンダイアグラム•

素粒子反応の素過程をグラフで説明

e＋e-対消滅•

ヒッグス粒子生成

つまり:• e+e- が対消滅→Zボソンが生成→Ｚボソンがヒッグス粒子を生成

時間軸

15

ヒッグス結合定数• 素粒子とヒッグスの相互作用の強さ
結合350GeV～

250GeV～

ヒッグス生成過程

H

b
H

結合

b

τ

τ

H

etc. …

τ

etc. …

τ

物質粒子との結合ヒッグスがその粒子へ崩壊する事象を数えて測定する(結合定数)2 ∝ 反応の数

ヒッグス結合定数• ヒッグス同士の相互作用の強さ

500GeV～

ヒッグス自己結合

ヒッグスがその粒子へ崩壊する事象を数えて測定する(結合定数)2 ∝ 反応の数

標準理論のしめすところ

生成数• 標準理論ではヒッグス結合の強さが粒子質量に比例する(結合定数)2 ∝ 反応の数

標準理論
質量bクォーク: 5GeV
τレプトン: 1.8GeV
cクォーク: 1.5GeV

H→bb※ヒッグス粒子の半分以下の質量をもつ物質粒子

H→ττ

H→cc

超対称性粒子

全ての基本粒子に超対称粒子の相棒がいる

19

ヒッグス結合定数の測定
生成数• 新物理が存在すれば、各モードの生成数が変わる

標準理論
ex. 超対称性

H→ττ
H→bb
H→cc
変化の大きさは新物理のモデルに依存する

ズレのパターンを精密測定し新物理モデルを識別する
ヒッグス結合定数の測定はILCで必ずできる新物理へのアプローチ

ヒッグス粒子:まとめ• ヒッグス粒子の発見で真空の謎がさらに深まった。
• 知りたいこと:– ヒッグス粒子は本当に一つか？
– なぜスピン0か？
– ヒッグス粒子は本当に素粒子か？
– ほかの粒子の質量を生み出す• ILCでヒッグス粒子を徹底的に調べて、真空の謎に迫る！

21

素粒子物理の謎

1. 真空の謎

2. 最も重い素粒子の謎

3. 暗黒物質(ダークマター)の謎
22

素粒子の標準理論
Standard Model (SM)• ヒッグス粒子• 2012年に発見• 標準理論最後の粒子• トップクォーク• 1995年に発見• 最後に発見されたクォーク• 電子・陽電子実験での測定は皆無

23

トップクォークの謎 トップクォークは多くの謎を抱えている
b. トップクォーク•

他のクォークに比べて、ずば抜けて重い

bクォーク: 5GeV

•
•

質量

35倍

トップクォークtクォーク: ～175GeV

なぜこれほど重いのか？

これほど重い理由はあるのか？
• 未知の新粒子と相互作用を起こしているから？

35倍

ボトムクォーク
チャームクォーク
その他

24

トップクォーク質量• トップ質量は新物理を調べる際の重要なインプット• e.g.
トップクォーク質量→ヒッグス粒子の質量推定
トップ・ヒッグス質量→新物理のエネルギースケールを推定• 質量測定の精度がいいと、新理論の予言能力が増す• ちゃんと測定することが重要• 質量測定: トップ(対)生成閾値付近の生成断面積の精密測定• 生成断面積のエネルギー依存性を利用(断面積) ∝ 反応の数25

そのために
ILCが
必要です！

26

トップクォーク質量測定
生成数(断面積) ∝ 反応の数

トップ質量の2倍で急激に生成数増加

３４５～50MeVの精度で測定可能
現在の精度: ～870MeV

３５０

３５５

重心系
エネルギー
（ＧｅＶ）

27

トップクォークの謎 トップクォークは多くの謎を抱えている
b. トップクォーク•

質量

他のクォークに比べて、ずば抜けて重い

bクォーク: 5GeV•

35倍

トップクォークtクォーク: ～175GeV

なぜこれほど重いのか？

•

これほど重い理由はあるのか？
• 未知の新粒子と相互作用を起こしているから？

•

まずは既存粒子との相互作用を徹底的に見る• 標準理論と違う現象がみられるか？

35倍

ボトムクォーク
チャームクォーク
その他

28

そのために
ILCが
必要です！

29

トップ結合定数• トップクォークと他の粒子との相互作用の強さ

500GeV～ヒッグス-トップ結合

事象が生成された数を数えて測定する
tt500GeV～

トップ-ゲージ粒子結合

トップクォーク対の異なる偏極状態での生成数をそれぞれ数えて測定する(結合定数)2 ∝ 反応の数

偏極とは何か(電子のスピン＝1/2)

進行方向に対するスピンの向きで右偏極・左偏極が決まる
右巻きスピン（右偏極）

eスピンの方向

進行方向

左巻きスピン（左偏極）

e-

進行方向

スピンの方向ILCは電子(陽電子)の偏極を変えて実験できる

31

偏極のコントロール
左巻き電子&右巻き陽電子

e-e+

左巻き電子&左巻き陽電子e-e+

右巻き電子&左巻き陽電子e-e+

右巻き電子&右巻き陽電子

e-

e+

32

偏極のコントロール
左巻き電子&右巻き陽電子e-e+

右巻き電子&左巻き陽電子

e-e+

弱い相互作用
左巻き電子&左巻き陽電子e-e+

右巻き電子&右巻き陽電子

e-e+

電弱相互作用

新物理 ？？？

33

トップ結合と新物理• 偏極を変えてトップ対生成数を測定
左巻き電子&右巻き陽電子

＋

ー

＋

ー

標準理論
新モデル1

左巻き電子
&
右巻き陽電子

右巻き電子&
左巻き陽電子生成数(結合定数)2 ∝ 反応の数
生成数のずれから新モデルを同定
生成数•

右巻き電子&左巻き陽電子

標準理論
新モデル2

左巻き電子
&
右巻き陽電子

右巻き電子&
左巻き陽電子トップ結合と新物理
左結合のずれ新モデル1

右結合のずれ

新モデル2

トップクォーク:まとめ• 最も重い粒子にこそ、新しい物理のカギがあるはず• 知りたいこと:– なぜずば抜けて重いのか？
– これほど重い理由はあるのか？

• ILCでトップクォークを徹底的に調べて、謎に迫る！

36

素粒子物理の謎

1. 真空の謎

2. 最も重い素粒子の謎

3. 暗黒物質(ダークマター)の謎
37

ダークマター• 重力レンズ効果により見える、ダークマター存在の証拠のひとつ
銀河同士の衝突
赤:既知の物質
青:ダークマター

38ダークマターの謎
宇宙のエネルギー組成

ダークエネルギー
68.3%

ダークマター
26.8%

物質
4.9%

• 我々が理解できているのは宇宙のほんの少し…

暗黒物質（ダークマター）：正体不明の粒子

39

『W/Z型』粒子『ヒッグス型』粒子(ダークマターの候補)

40

そのために
ILCが
必要です！

41

ダークマター探索• ダークマター生成の様々な可能性• どんな可能性でもILCで探索可能

e−ダークマター

ダークマターH

ダークマターe+
直接生成

ヒッグス粒子を通じて生成e−e+

ダークマター

ダークマター

新粒子A

μ-

新粒子B

ダークマター
新粒子Be-

ダークマター
間接探索

μ+ダークマターe+

新粒子A

新理論が予言する新粒子42

ダークマター探索: case 1
光子

e−

(見える)

e+

ダークマター（見えない）

ダークマター（見えない）

𝑬𝒆+𝒆− = 𝑬

(最大)

光子

+ 𝟐𝑴ダークマター

単光子によるダークマター直接探索（エネルギー運動量保存を使う）

43

ダークマター探索: case 2• ILCでは電子・陽電子の全エネルギーが反応に使われる→エネルギー・運動量保存を使うことができる• ヒッグス反跳質量の測定
ヒッグス測定のためにヒッグスを“見ない”

こちらを見る• エネルギー・運動量保存→ヒッグス粒子の4元運動量を計算

𝑬𝒆+𝒆− = 𝑬𝒍+𝒍− + 𝑬𝑯
ヒッグス粒子を見ずにヒッグス粒子の質量を計算できる→ ヒッグス粒子がダークマターに崩壊しても検出可能 44

ダークマター探索: case 3e+

ダークマターμ-e-

ダークマター

μ+

間接探索
e+

μ-

e-

μ+

ダークマターが関与しない過程• ダークマターの過程が、それが関与しない過程と混ざる• ミューオン対などの生成の数（および分布）に違いが出る• 違いから、間接的にダークマターを探索する

45

新粒子A
新粒子B
ダークマターダークマター探索: case 4
e−

既知の粒子
（見える）

新粒子A

新粒子B
ダークマター
新粒子B
ダークマター

e+

新粒子A
既知の粒子
（見える）

• 測定できる既知の粒子を使って、新粒子の質量を推定(最大)

𝑴新粒子𝑨 − 𝑴新粒子𝑩 = 𝑬既知粒子群• 生成する既知の粒子をすべて捕まえることが重要

47

遷移による
光放出

エネルギー準位

エネルギー準位

2p

質量

X線

2p

2s

2s

1s

1s

新粒子探索

質量
A

既知の粒子

質量

質量
A

可視光線

既知の粒子

B

LHCが存在否定

ILCで発見B

AとBの質量の差が小さいと見えるエネルギーも小さい

48

まとめ
• 素粒子物理の目指すところは、宇宙初期の物理法則(=未知の新物理)を知ろうとすること• ILCで宇宙初期の状態を局所的に作り、新物理・新現象を発見する– 精密な直接探索・間接探索で新物理・新現象にせまる• ILCで素粒子物理の謎にせまる（１）真空の謎 – ヒッグス粒子を徹底的に調べる（２）最も重い素粒子の謎 – トップクォークを徹底的に調べる（３）暗黒物質の謎 – ダークマターを作り、証拠をつかむ

次の物理を切り開くため、ILCは必要不可欠!

49

Backup slides

ILCの目的
標準理論を超える物理、

新現象・新粒子を”発見”すること！
1. 新現象の”発見”••

標準理論の予言との食い違いを見つける
現在の精度で標準理論は物理現象とほぼ矛盾なし→更なる高精度での測定が必要

2. 新粒子の“発見”•標準理論にはない、新しい粒子を見つける

51

新現象・新粒子発見のために
1. 新現象⇒既存の粒子を徹底的に調べる
a. ヒッグス粒子
b. トップクォーク

2. 新粒子⇒新粒子を徹底的に探す
c. ダークマター
d. 超対称性粒子
e. その他、未知の粒子

52現在の加速器実験• 現在最も高エネルギーのコライダー実験: ラージハドロンコライダー(LHC): 13TeVATLAS測定器

LHC加速器

CMS測定器53

ILCでの反応と測定の様子

54

ILCの実験環境とすごいところ
ILC: 電子陽電子衝突e+e−• 素粒子(電子と陽電子)の反応• 全エネルギーが反応に使われる• 背景事象が少ない

1. 見たい反応だけ見える
2. 出てきた粒子をほとんどすべて測定できる→ 物理現象を非常に精密に再構成できる

3. エネルギー・運動量保存が使える
4. 電子・陽電子ビームの偏極を制御できる
5. 衝突エネルギーを変えることができる

55

力の大統一
重
力
強い力
究極の
大統一

弱い力
電
磁
気
力

大統一
電弱の分離

B

g1

f
W

f

G

g3

g2

f

f

f
• 力の強さはエネルギーに依存する• 超対称性粒子 が存在すれば、大きいfエネルギーで力の大きさが同じになる• 標準理論だと力の統一は出来ない

トップ湯川結合(ttH)

500 GeV〜

ヒッグス自己結合(HHH)

500 GeV〜

トップ湯川結合(ttH)

500 GeV〜

トップは重いので(~175 GeV)
崩壊でみることができない

ヒッグス自己結合(HHH)

500 GeV〜

ILCにおけるHiggsの生成過程
Higgsstrahlung(ZH) 過程

生成断面積

ECM=250GeV付近
で最大

WW fusion(vvH) 過程

ECMとともに上昇

ZZ fusion 過程(マイナー）• それぞれの重心系エネルギー(ECM)で異なる測定を得意とする• ECM=250 GeVでZH過程を用いてHiggsの質量と全断面積の高精度測定• 450GeV付近で、Higgs全幅とほぼ全ての結合定数を測定できる

ILCでは縮退質量スペクトラムを持つ軽いHiggsinoの発見が期待されている
ILCで探索するモチベーションは？

質量 実験の観点から：
LHCで排他されずに残るのはΔMが小さい領域
粒子間の質量差ΔM=m(NLSP)-m(LSP)
信号はsoftなjetやlepton、visible energy が少なく、
QCD BGの多いLHCでは探索が極めて困難  ILC の出番縮退しているmass
spectrum 理論の観点から：
Naturalness 理論はO(100) GeVの軽いHiggsinoを予言
Zボソン質量 ~ Higgs質量 ~ Higgsino質量〜100GeVRNS model (Radiatively- driven natural SUSY)
３つのHiggsino： χ±1, χ02, χ01 (LSP) ： ΔMが小さい

ΔM<O(10)GeV

Chargino 対生成

neutralino 対生成

Higgsino mass を測定 SUSY parameter（e.g. M1,M2,tanβ)、SUSY breakingへの手掛り
幾つかのbenchmarkがstudyされている （ΔM:1 ~20 GeV）
質量の期待精度： 〜1%
60

HL-LHC 最終データ相当
ILC ~8年相当
ILC ~20年相当
ILCとLHCのデータを合わせる

Model-dependent: assume generation universality, no BSM decays

Higgs 結合定数の測定精度 model independent）
ILCでしか出来ないモデル非依存測定においても、ほぼ全ての結合定数は1%以下を達成可能•••

ILC ~8 yr
ILC ~20 yr
ILCとLHCのデータを合わせる• ECM=250-500 GeVで全ての主要なHiggs結合定数にアクセス可能• ECM=550GeVまで上がればKtは3%まで改善！

Vertex検出器の優秀なb/c-tag性能

No assumptions
on universality
Model-dependent:
assumegeneration universality, no BSM decays

9 parameter のモデル非依存型
結合定数 fit、LHCでは不可能

H→WW,(ZZ)• ヒッグス全幅の導出→モデルに依らないヒッグス結合の測定が可能←Recoil study←崩壊分岐比study←崩壊分岐比study←H→WWで行う
H→ZZも可能だが統計的に厳しい(Br～2%)

→ZZ*
→WW*

Higgs 全幅の測定

Higgs結合定数を導出するためにHiggs全幅 Γtot が必要

結合定数 g2HXX ∝ 部分幅 Γ(HXX) = Γtot * BR(HXX)
Γtot = Γ(HXX) / BR(HXX) :(BR:分岐比）崩壊モードXに関して部分幅と分岐比の両方が必要

原理的には
X=Z or W を使える（対応するHiggs生成過程）

しかし、ECM = 250 GeV
だけではZHもWW fusion
も統計の制限がある

対策： ECM= 350、500 GeV のWW fusion 測定を250 GeVの反跳測定を用いて得られた高精度な分岐比と組み合わせれば Γtot を精度よく求めることができる

t

top の生成・崩壊 を利用した新物理探索 @ECM=500 GeV
各複合Higgs模型はtop（複合）の左・右巻き結合のSMからのずれを予言t

左右巻きのttZ/γ 結合の構造因子を測定 複合Higgs模型にせまる
ビーム偏極 (ILCの強み）が必須
Top角分布の再構成

topの結合定数のSMからのズレが新物理を示唆する
何通りかの観測値（e.g.各偏極状態でのTop pair 生成断面積 σ 非対称性
AFB, Ahel , ALR ）を測定し、構造因子 Fttγ1L, Fttγ1R, FttZ1L, FttZ1R を導出

ILCはLHCよりも多くの複合Higgs模型をexcludeできる (68% CL )様々な新物理模型でのtopの異常結合 （新物理スケール〜1 TeV)
ttZ結合のずれ（左巻き）

ttZ couplingの精密測定

Amjad et al.
arXiv:1307.8102

ttZ結合のずれ（右巻き）
Discrimination of various new physics models with EW top couplings.
[1506.05992], based on [Richard, 1403.2893]

ヒッグスの質量と生成断面積の反跳質量手法による測定

新物理の間接探索 例2

ZH全断面積 (σZH ) と ヒッグス質量 (MH)の精密測定
ヒッグスが付随して生成するZ に対して反跳Zが崩壊後のレプトン対の運動量のみ測定する

ヒッグス質量 (MH) = Zの反跳質量
反跳質量分布 ECM = 250 GeV
Events

ヒッグスを測定しているのにヒッグスを直接見ない
 SMにないヒッグス崩壊でも大丈夫
i.e. モデル非依存

ヒッグスの４元運動量ZμμToy MC Data

400

Signal+Background
Signal300

Backgrounde++e ® m+m- + X @ 250 GeV-

σZH の絶対値はヒッグス崩壊分岐比と結合定数の絶対値測定に必須
20年間運転 から期待される精度：
HZZ結合定数： 0.4%
ΔMH=14 MeV

200
100
0
110

120

130

140

150
2

MH=125 GeV Recoil Mass (GeV/c )ILCの新物理探索の例(1) 新物理の間接探索
標準理論の精密測定を用いる• ヒッグス結合定数の精密測定• ヒッグス生成断面積の絶対値測定• ヒッグス自己結合定数• トップ湯川結合• トップクオークの結合定数(2) 新粒子の直接探索• 超対称性粒子• 暗黒物質新物理の間接探索 例3

ヒッグス自己結合

ヒッグスポテンシャルの形を探り、自発的対称性の破れの検証
この測定が最初にできるのがILC
重心系エネルギー 500GeVILCにおいても難しい測定：• 生成断面積が小さい (~0.2 fb)• 信号と区別不可能なBG振幅と干渉

ECM=500GeV で Δλ/λ = 27% 、ECM=1 TeV で Δλ/λ = 10%を期待

ヒッグス自己結合が物質・反物質間の非対称性に関与する可能性を検証する

68

トップ湯川結合測定

重心系エネルギー 500GeV

新物理の間接探索 例4e+e-  ttH

トップは特別な存在：
一番重いクォーク、ヒッグスと一番強く相互作用する→ トップを精密測定すれば新物理への手掛り例） トップが複合粒子になる複合ヒッグス模型
 トップ湯川結合(yt)がSMからずれる
tt_barH @500GeV

ILCの検出器を総動員して挑む究極の測定
衝突点

•
•
•

終状態に多数のジェット
ヒッグス がbクオークジェット対に崩壊する事象を選別トップ崩壊（ジェットやレプトンの数）で分類して解析する

ジェット

ECM=500GeV で Δyt/yt = 6% 、ECM=1 TeV で 〜1% を期待

69

新物理の間接探索 例5

トップの生成・崩壊の精密測定
t

重心系エネルギー 500GeV

トップの角度分布の再構成

トップ結合定数のSMからのズレが新物理を示唆するt
左巻き

ビーム偏極 (ILCの強み）が必須
各偏極状態でのトップ対生成断面積 と非対称性を測定し、左右巻きの構造因子 を導出

右巻き

ILCはLHCよりも多くの複合Higgs模型をexcludeできる (68% CL )様々な新物理模型でのトップの異常結合 （新物理スケール〜1 TeV)
ttZ結合のずれ（左巻き）

ttZ couplingの精密測定

Amjad et al.
arXiv:1307.8102

ttZ結合のずれ（右巻き）
Discrimination of various new physics models with EW top couplings.
[1506.05992], based on [Richard, 1403.2893]

ILCでの新粒子探索

新物理の直接探索

ILCではΔMが小さい（<〜O(10)GeV)のようなSUSY粒子の発見が期待されている
ΔM : 一番軽い粒子(LSP)と２番目に軽い粒子(NLSP)の質量差

エネルギーが低い

ILCで探索するモチベーションは？

 実験の観点から：
LHCで排他されずに残るのはΔMが小さい領域• ΔMが小さければ「見える」信号は低エネルギーのジェットやレプトン• LHCの大量な背景事象に埋もれてしまい、探索が極めて困難  ILC の出番
 理論の観点から：
Naturalness 理論はZボソン質量とヒッグス質量に近い質量（O(100)GeV) を持つ軽いSUSY粒子を予言
一般にΔMが小さい

質量

・
・
・

他の粒子

NLSP
LSP

ΔM

71

ILCでの軽いSUSY粒子の生成

新物理の直接探索 例1

軽いHiggsino対生成

ビーム偏極を駆使するして生成された新粒子の性質を調べる
LSP

軽いStau対生成
LSP

軽いWino対生成
LSP

72

暗黒物質の探索@ILC

新物理の直接探索 例2• DM質量はILCで生成可能なエネルギー領域内にある可能性が高い
 ILCでその起源、存在量、詳細性質の研究を期待している
WIMP：コライダーでの暗黒物質探索は直接探索・間接探索(宇宙など)と相補的• 最有力なDM候補は一番軽い超対称粒子

SUSY特有の信号 (DMの崩壊を伴う)に注目：

Monophoton Search

Higgs Invisible Decay

MDM < Mh /2

軽いHiggsino, 軽いstau など

hard ISR
photon tag

A.Ishikawa→ MDM の上限
~ (Ecm –Eγ)/2BR(H->invis) がSM値からずれたらBSMを示す
BR(Hinvis.) < 0.4%

at 250 GeV, 1150 fb-1

探索するDM質量はECM/2まで可能

ILCは何を探求するのか？
• 標準模型の粒子が全てなのか？ 力は４つしかないのか？
• 暗黒物質の正体は？
• 物質・反物質比対称性
粒子と反粒子は対消滅し僅かに物質粒子のみ残ったのはなぜ？
• 電弱対称性の破れの背景にある真実
Higgsは素粒子か？ １つしかないのか？
• 大統一はかなうのか？
超対称性など新物理が検証できれば、大砂漠を超えBig Bang直後の大統一のエネル
ギーまで成り立つ理論を手にいれうる• ILC では素粒子同士を衝突させ、 宇宙創成１兆分の１秒後の高エネルギー反応を再現し調べることにより、質量の起源や時空構造、宇宙創成の謎に挑む• ILCとLHCは （それぞれの特徴を活かして） 補完しながら研究を行う

まとめ その１
ILCはenergy frontier のe+e-コライダー
クリーンな実験環境と優秀な検出器のおかげで高精度な測定
衝突エネルギーとビーム偏極を調整可能  特定の物理を取り出せる

ILCの物理が目指すもの：

新物理探索を通して標準理論で未解決な課題に迫る
EWSBの背後の物理、Higgsは素粒子なのか、 暗黒物質、
バリオジェネシス、 力の大統一、真空の安定性、 ect ……

(1) 標準理論の検証から新物理を探索
ILCでしか出来ない精度でHiggsやtop quark の測定を行う
 標準理論からのズレを感知して新物理を発見し、ズレのパターンから新物理のモデルを同定する(2) 新粒子の直接探索
超対称性粒子 、暗黒物質 → LHCと相補的に行う

ILCでしか出来ないものがたくさんある！

75

まとめ その２• 今後のLHC、そして将来のILC自身の実験結果に従って
ILCの実験計画を調整可能
LHC Run 2の結果に大いに期待
 LHCで新発見があればILCで精査
軽ければILCで直接測定
重ければ間接測定：
付随する粒子の探索、HiggsとTopの精密測定による検証

 LHCで発見がなくてもILCで新粒子発見の可能性がある

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LHCとILCの実験環境比較
LHC: 陽子陽子衝突p

ILC: 電子陽電子衝突

p

e+

e−

• 高い重心系エネルギー：13000 GeV• 比較的重心系エネルギー：500 GeV• 複合粒子同士の衝突• 素粒子(電子と陽電子)の反応• 一部のエネルギーが反応に関与する• 全エネルギーが反応に使われる• 背景事象が多い• 背景事象が少ない

メリット： 高いエネルギーに到達して新粒子を発見する

メリット： 綺麗な実験環境で新現象を探索する

注）陽子は アップクオーク２つとダウンク
オーク１つから構成される背景事象（= ごみ）は観測したい信号以外の事象であり、測定精度の妨げになる

77

LHCではどのように見えるか？
• LHCで粒子衝突後に起きたことを見てみると…
これらがヒッグスから出てきたもの

これらは他からH→γγ

H→ZZ*→μμee
アトラス実験より

CMS実験より• 多くのいらないもの中でヒッグス（あるいは見たいもの）から出てきたものを捕まえないといけない• この中でヒッグス粒子を見つけたLHCはすばらしい78

すごいところ１: ILCではどのように見えるか• ILCで粒子衝突後に起きるであろうことを見てみると…
• ほとんどすべてが興味ある反応から出るもの• 出てくるものをほとんど捕まえることが可能• 例:この事象はすべてヒッグスから出てきたもの

３D view

e+e-→ννH
79

ILCの測定器
ミューオン検出器

ILD測定器

ソレノイド

ハドロンカロリメータ
電磁カロリメータ

飛跡検出器
崩壊点検出器
前置検出器
検出器

測定量

崩壊点検出器飛跡・運動量

秘跡検出器

運動量・飛跡電磁カロリメータ

光子・電子のエ
ネルギー

ハドロン
カロリメータその他粒子のエネルギー

ミューオン検出器

ミューオンの飛跡

80すごいところ２: ILCの高精細・高性能測定器
ILC測定器：
複雑な反応でも精密なエネルギー測定が可能となるよう設計

高精細・高性能な検出器で実現：

重い粒子の崩壊点を再構成

検出器
センサーサイズILC

LHC(ATLAS)

精細度比

崩壊点検出器

5×5 mm2

400×50 mm2

800倍

飛跡検出器

1×6 mm2

13 mm22.2倍

電磁カロリーメータ

5×5 mm2

39×39 mm261倍81

すごいところ２: ILCの高精細・高性能測定器なら• ダークマターへ崩壊する新粒子探索
e−

既知の粒子
（見える）

新粒子A

新粒子B
ダークマター
新粒子B
ダークマター
新粒子A

e+

既知の粒子
（見える）

質量
A

B

質量

ILCで発見A
B(測定器がすごい)

AとBの質量の差が小さいと見えるエネルギーも小さい

ILCなら発見可能（ILC測定器がすごい）82

新粒子の間接探索
新粒子が比較的軽い場合
ヒッグス粒子への影響が大きい

質量
ヒッグス

新粒子

新粒子が比較的重い場合
ヒッグス粒子への影響が小さい

質量
ヒッグス

新粒子

精密測定で
高いエネルギーの新物理にアクセス※実際には他の様々な物理量で新物理の影響を見ます (例：ヒッグス結合定数)83

富士の裾野: 富士山効果分かりやすい

富士山

東京: 富士山効果は？
精密測定が必要84偏極とは何か(電子のスピン＝1/2)

進行方向に対するスピンの向きで右偏極・左偏極が決まる
右巻きスピン（右偏極）e−
スピンの方向進行方向

左巻きスピン（左偏極）

e−

進行方向

スピンの方向ILCは電子(陽電子)の偏極を制御できる85

すごいところ４: 偏極の利点• 偏極によって反応が変わる→見たいものに応じて生成を制御
左巻き電子・右巻き陽電子e−e+（背景事象の抑制）+−
WW

右巻き電子・左巻き陽電子

e−

e+

+
−
WW

86

すごいところ４: 偏極の重要性• 偏極によって反応の仕方が変わる→新粒子の識別ができる『W/Z型』粒子の場合

e−

観測数

左巻き電子・右巻き陽電子

e+
質量

e−

e+

『ヒッグス型』粒子の場合
観測数

右巻き電子・左巻き陽電子

質量
87

88

動画にて仕組みをご紹介