宇宙創生を素粒子物理学で探る
ー朝永博士の切り拓いた素粒子物理学

金 信弘
筑波大学大学院数理物質科学研究科物理学専攻
理工学群物理学類
朝永振一郎博士生誕１００年記念出前講義
於竹園高等学校
2006年11月8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
ヒッグス粒子の探索● 素粒子物理学の将来

素粒子とは？

原子

原子核

陽子

クォーク

電子

物理学発展の歴史
1900年
17世紀半ば
古典力学

19世紀後半ニュートン,…

電磁気学

2000年

マックスウェル,…
1881年

マイケルソン・モーレーの光速測定実験→エーテル否定

相対論
アインシュタイン

黒体輻射測定量子力学
1896年

ベクレル放射線発見

1897年

トムソン電子発見

デイラック, ハイゼンベルグ,…

素粒子物理学の歴史〜BC4c. 「物質はすべて均質で不可分のA-TOM〔原子〕からできている。」
古代ギリシャ自然哲学者デモクリトス
19〜20c初め

1900

物質の構成要素である原子の発見。

1897年：電子の発見(J.J.Thomson)
1905年：特殊相対論(A.Einstein)
前期量子論(M.Planck, N.Bohr)
1911年：原子の構造＝原子核＋電子(E.Rutherford)
1913年：一般相対論(A.Einstein)
1913年：陽子の発見(E.Rutherford)1950

量子力学(W.Heisenberg, E.Schrodinger, P.Dirac)
1932年：中性子の発見(J.Chadwick)
1933年：陽電子の発見(C.Anderson)
1935年：中間子論(湯川秀樹)
1937年：μ粒子の発見(C.Anderson)
1948年：量子電磁力学QED(くりこみ理論)(朝永振一郎, R.Feynman, J.Schwinger)朝永振一郎（ともなが しんいちろう）

1906年３月３１日
東京小石川生まれ

1965年 ノーベル物理学賞
素粒子物理学（湯川秀樹に続き、日本で２番目）

1941年〜 東京文理科大学（現:筑波大学）教授
1956-1962年 東京教育大学（現:筑波大学）学長

日本のノーベル物理学賞
1949 湯川秀樹
核力の研究と中間子の予言

1965 朝永振一郎
量子電気力学1973 江崎玲於奈半導体のトンネル効果

2002 小柴昌俊
天体物理学と宇宙ニュートリノ

朝永・湯川
特別展示会
2006/3/25 ~ 5/7
国立科学博物館
2006/5/13 ~ 7/17
つくばエキスポセンター
2006/7/24 ~ 8/31
筑波大学総合交流会館
2006/10 ~ 2007/1 京都大学
2007/3 大阪大学

「科学の芽」賞

朝永博士と筑波大学
1906年（明治39年）3月31日 東京生まれ
1929年

京都大学 卒業

1932年

理化学研究所 仁科研究室

1937年

ドイツに留学

1941年

東京文理科大学(現:筑波大学)教授

1943年

超多時間理論を発表

1948年

くりこみ理論を完成

1949年

東京教育大学(現:筑波大学)教授
集団運動の理論1956年～1962年 東京教育大学長
1963年～1969年 日本学術会議会長，東京教育大学附属光学研究所長
1965年

ノーベル物理学賞受賞

1969年

東京教育大学を定年退官，名誉教授

1979年（昭和54年）7月8日 逝去

その間、多くの物理学者を育てた。

素粒子物理学の歴史
1950

20c半ば：1947年のπ中間子の発見を皮切りに多くのハドロン（中間子、バリオン）発見
1956年：νeの発見(F.Reines)
1956年：反陽子の発見(O.Chamberlain, E.Segre)
1956年：パリティ保存則の破れ(T.D.Lee, C.N.Yan)

1960

1970

1962年：νμの発見(L.Lederman, M.Schwartz, J.Steinberger)
1964年：クォーク模型(M.Gell-Mann, G.Zweig)SU(3)3重項の u, d, sクォーク
1964年：CP保存則の破れの発見(J.Cronin, V.Fitch)
1967年：電弱統一理論(S.Weinberg, S.Glashow, A.Salam)+QCD＝ 素粒子標準理論(1973年)
1969年：パートン模型(R.Feynman)
1969年：電子陽子深非弾性散乱＝パートン模型で説明 (J.Friedman, H.Kendall,R.Taylor)
1971年：Yang-Mills 場の理論はくりこみ可能 (G.’t Hooft)
1974年： J / (cc) の発見＝cクォークの発見 (S.Ting, B.Richter)
1976年：τの発見(M.Perl)
1976年： e   e の発見(Gargamelle Group)
1977年：Υ( bb )の発見＝bクォークの発見(L.Lederman)
1980年：グルオンジェットの発見(at PETRA)
1980



素粒子と素粒子間の力（素粒子標準理論）
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

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)-10（ ）内の数字はGeVの単位で書かれた質量。
１GeV＝１０９電子ボルト

質量の起源（ヒッグス機構）ヒッグスポテンシャル
V (f) = 2f2 /2+ lf4 /4 ( l2 > 0 (ビッグバン直後)
真空の相転移（対称性の破れ） 2 < 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。

ATLAS
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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
米国シカゴ郊外の研究所。
直径２ｋｍの加速器。

CDF
Tevatron Ring

Main Injector

陽子反陽子衝突エネルギーが２ＴｅＶ（２ｘ１０１２電子ボルト）

CDFII Detector

大きさ 10ｍｘ10ｍｘ10ｍ
重量 3000トン

Muon System

Central Calor.
NewOldSolenoid

Partially
New

Muon

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

Silicon Microstrip
Tracker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（日米伊87名）
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（7カ国445名）
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（12カ国600名）
2005年 ヒッグス粒子の質量上限決定
2006年 Bs中間子の粒子反粒子振動の発見

トップクォーク候補事象の一例

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 )Mtop= 176.1 ± 6.6 GeV/c2
Combined Tevatron results ( CDF＋D0 )Mtop= 174.3 ± 5.1 GeV/c2

トップクォーク質量測定によるヒッグス粒子の間接探索
質量の輻射補正計算より，ヒッグス粒子の質量はトップクォークの質量とWボソンの質量に左図のように関係づけられる。
トップとWの質量測定→ヒッグスの質量決定
テバトロン実験：世界最高エネルギー
２TeVの陽子反陽子衝突によるトップクォーク対生成 p p  t t X（唯一のトップファクトリー）

2006年夏 テバトロン実験 の結果：
トップクォークの質量: Mtop = 170.9 ± 2.4 GeV/c2
ヒッグス粒子の質量:114GeV/c2 < MHiggs <166 GeV/c2

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。

超高エネルギー衝突実験の現状と計画
2000年
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

2005年
I

2010年
I

2015年
I

MH <180GeV/c2 ならばヒッグス粒子検出(95%信頼度)

MH=115GeV/c2 ?
(99%信頼度)

LHC陽子陽子衝突実験(CERN,ヨーロッパ）
14TeV

MH <1TeV/c2 ならばヒッグス粒子検出

LC電子陽電子衝突実験(建設地未定)500GeV- 1TeV

MH <0.9TeV/c2 ならばヒッグス粒子検出

超対称性粒子も存在すれば検出超対称性粒子も存在すれば検出

ＬＨＣ 陽子陽子衝突実験
ＬＨＣ（Large Hadron Collider)：スイス・ジュネーブのＣＥＲＮ研究所の陽子陽子衝突型加速器。衝突エネル
ギー１４ＴｅＶ（１４ｘ１０１２電子ボルト）。
加速器の大きさは直径約８ｋｍ。
200８年春から本格実験開始。

実験目的：ヒッグス粒子の発見とその性質の研究
ＡＴＬＡＳ測定器：
ＬＨＣ加速器の陽子陽子衝突点に置かれて、衝突で出てくる粒子を検出し、そのエネルギーを測る。

22m
44m

素粒子実験研究室メンバー
教官7名
教授 2名、講師 3名、助手 1名、研究員
学生 23名後期博士課程大学院生
１０名
前期博士課程大学院生
９名
学類四年生
４名

1名

学生の研究テーマ
前期博士課程大学院生・学類四年生：検出器の開発研究
後期博士課程大学院生
１年次
物理解析の準備を開始
１～２年次
フェルミ研究所あるいはCERN研究所に滞在し、データ収集を行い、共同研究者とミーティング等での議論を通じて解析方針をつめる。
３年次：論文の仕上げ。
検出器の開発・物理解析の経過報告のため、外国人共同研究者とともに日米欧間でTV会議システムを用いた発表討論が常時行われている。

学生の博士号取得
過去10年間に20名が博士号取得。

理工学群物理学類
研究分野
理論： 素粒子， 宇宙， 原子核， 物性
実験： 素粒子， 宇宙， 原子核， 物性,
WEBページ
物理学系
http://www.px.tsukuba.ac.jp/
理工学群物理学類
http://www.butsuri.tsukuba.ac.jp/
素粒子実験研究室
http://hep-www.px.tsukuba.ac.jp/

プラズマ

BACKUP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 -  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±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, S 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)。

Bs中間子の粒子反粒子振動の観測
電荷を持たない中性の粒子では，粒子と反粒子が生成される際 の状態と崩壊する際の量子力学的な固有状態が異なる。固有状態の質量に差があると、質量差Δｍの振動数で粒子反粒子振動が起きる。
これまでK，B中間子でのみ粒子反粒子振動が観測されていた。

フーリエ解析
テバトロンのCDF実験では，2006年春にBs中間子の粒子反粒子振動を観測した(多数の新聞報道)。
Bs中間子振動の振動数は、 B中間子振動の振動数の40倍程度と理論で予測されていて、観測は非常に難しいと考えられていた。

Bs 中間子の粒子反粒子振動の角振動数
Δｍs ＝17.77 ±0.10(統計誤差）±0.07(系統誤差）毎ピコ秒。(ピコ秒＝10-12秒)
標準理論(小林益川理論)の非常に高い精度の検証。

A01の予想外の成果。

CDFの歴史
1980

1990

2000

素粒子物理学の歴史

1979年：CDF実験グループ結成
1981年：CDF実験設計報告書
1983年：W, Zボソンの発見(UA1, UA2)
1985年：CDF実験で陽子・反陽子衝突を初観測
1987年：CDF実験開始(Engineering Run)ジェット、Wの観測
1988年：CDF実験Run 0(Physics Run)
〜1989年
W, Zの質量、bクォーク生成断面積

1992年：CDF実験Run I〜1996年1991年：軽いνの世代数＝3(SLC, LEP)
1994年：トップクォークの発見(CDF)
Wの質量、トップクォーク生成断面積と質量、b-ハドロンの質量と寿命
BC中間子の発見(1998年)

The CDF Collaboration
North America
3 Natl. Labs
28 Universities

Europe1 Research Lab
6 Universities
1 University

1 Universities
4 Universities

Totals112 countries 58 institutions
 581 physicists-2 Research Labs
1 University
1 UniversityAsia
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

EngineeringRun（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, sin2b, … measurements
2 x 1032
cm-2 s-1

Tevatron Collider Luminosity

2 fb-1

0.1 fb-1
2000

Run : 0s :Ia
1.8 TeVIb5 x 1032
cm-2 s-1

2002

2004

15 fb-1
2006

IIaIIb
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)
plansOn tape

CDF実験設計報告書（ Design Report ）共同実験者 90名

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

Top quark SearchMtop = 25 GeV/c2

Leptoonic W Decay
Hadronic 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。

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/-0.1312.0%
SVX
6 tags2.3±0.3
3.2%
SLT
7 tags
3.1 ± 0.3
4.1%
三つを総合した統計的有意性：P = 0.26% (2.8s)
質量分布（Lepton + 4 jets 事象の再構成）

M top = 174± 10 (統計) +13/-12(系統) GeV/c2s ( 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 (2.7s)
SVX
27 tags
6.7±2.1
2x10-5 (4.0s)
SLT
23 tags
15.4 ± 2.0
6x10-2 (1.9s)
三つを総合した統計的有意性：P = 1x10-6(4.8s)
質量分布（Lepton + 4 jets 事象の再構成）

M top = 176± 8 (統計) ± 10 (系統) GeV/c2s ( 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（ e: 7, : 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 → tt, 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s ( 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 → t1 + t2 + X
t1 → W1 + b1
t2 → W2 + b2W1 → l +
W2→ 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 () 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。c2 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 ± 15
181.0 ± 9.0(ET(jet4) > 15GeV)

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 ) + S 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3.3s( 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。

Bc中間子の発見
15種類の基本的な中間子＿＿__udud'

_dd+'0＿＿___suu0＿usK+

uc＿__ds0
K_

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
'D0dc
D_bub
B+_db0Bud_sc
D -ssbBsscccb+
Bc

c_J/

__bb

1998年3月：CDF実験で発見bF. 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t ( Bc)  0.46  0.18 psN（Bc）＝ 20.4＋6.2ー5.6

 0.061s ( p p  B c X)BR( B c  J /  ) 0.132- 0.052s ( p p  Bu X)BR( Bu  J / K )

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%

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)
WH 0    bb

Expect: 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       bb

ZH 0   bb

Expect: 3.20.7 stObserve: 5Expect: 39.24.4 st
3.90.6 dt
Observe: 40 st
4 dt

VH Production Cross Section Limit

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

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

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

150200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

今後のヒッグス粒子探索•MH < 130 GeV/c2

pp →WHX →l +bb + X•125 < MH < 160 GeV/c2

pp →WHX →l +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 l 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)

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)。

朝永振一郎博士が２１世紀の物理学にもたらしたもの
量子電気力学 （素粒子の電磁気力の理論）
くりこみ理論 ＝＞ 場の量子論
1965年 ノーベル物理学賞
素粒子物理学（湯川秀樹に続き、日本で２番目）

素粒子の世界
見ていなければ、裏で何でもやっている電子をA点から放出し、eB点で受け取る。

???

eA
B
A点とB点で速度が同じなら、AB間で電子はずっと同じように飛んでいるだろうか？
古典力学では YES
ニュートンの第１法則：外力がなければ、物体は等速直線運動する。

量子力学では NO !!
間に何も無くても、電子はある確率で光子を放出・吸収する。
可能なプロセスは全て実現する。

くりこみ理論
裸の電子 vs 観測される電子＝＋＋＋・・・
裸の電子は直接は見えない： 電子は恥ずかしがり屋
我々が実験で見ている電子は、裸の電子ではなく全ての可能なプロセスを合成した最終結果だけ。
「裸 ＋ 全ての自己相互作用」 の結果として、質量＝9.11x10-31kg, 電荷＝-1.6x10-19C

くりこみ理論
無限大との闘い
困ったこと：自己相互作用を計算してみると、無限大になってしまう。

＝ ∞朝永が解決： 無限大は質量と電荷にしか出てこない。
＝＞ 見えている電子の質量や電荷を再現するように、裸の質量や電荷を調整すれば、無限大はどこにも残らない。
（自己相互作用の無限大は、裸の質量と電荷に全て吸収できる。）

くりこみ理論
無限大との遭遇
困ったこと：自己相互作用を計算してみると、無限大になってしまう。

＝∞
途中に飛ぶ光は、無限に短い波長まで可能。
全ての効果を足し合わせると、1+1+1+・・・のように無限大になってしまう。)

くりこみ理論
無限大との闘い
朝永が解決： 無限大は質量と電荷にしか出てこない。
物理量＝ F (裸の質量＋無限大、裸の電荷＋無限大）＝＞ 見えている電子の質量や電荷を再現するように、裸の質量や電荷を調整すれば、無限大はどこにも残らない。
自己相互作用の無限大は、質量と電荷に全て吸収できる。

物理量＝ F (観測された質量、観測された電荷）くりこみ理論
実は身の回りでもよくあること
自己相互作用 ＝ 他に物質が無くても、周りの真空と常に相互作用してしまう。
媒質の中での運動と似ている。

（１） 流体の中で物体を動かす＝＞ 抵抗を受けて、もっと重い物体のように振る舞う。
人ごみの中を歩くと、体重が増えたときの気持ちがわかるかも（２） 誘電物質の中に電荷を置く＝＞ 誘電分極により電荷がマスクされ電荷が小さくなったように見える。

＝∞

くりこみ理論
無限大との闘い その後
そもそも無限大はどこから出てきた？

電子が完全な点だから：◆電子は周りに電場 e/r を作る。
電子が点なら、自分で感じる自分の電場は無限大！

e◆半径 a に広がった電荷の静電エネルギーは Ae2/a
完全な点なら、 a --> 0 で静電エネルギー無限大！

では、電子が拡がっていればいい？？

普通の場の理論では難しい
みんな失敗した！（湯川の素領域、ハイゼンベルグの世界方程式、・・・）
10-33cm

超弦理論が現在唯一の候補

１９２４年 １８歳 京都三高時代