素粒子の謎に迫る－ビッグバン宇宙の始まりを高エネルギー粒子加速器で探る －金 信弘
筑波大学 数理物質系
数理物質科学研究科 物理学専攻
理工学群 物理学類
筑波大学公開講演会
2012年9月1日● はじめに● 自発的対称性の破れと質量の起源● 高エネルギー粒子衝突実験による質量起源のヒッグス粒子探索の歴史

素粒子とは？

原子

原子核

陽子
電子クォーク

物理学発展の歴史
1900年

17世紀半ば
古典力学

2000年

19世紀後半ニュートン,…

電磁気学
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,…

量子力学とは？
古典力学

F = ma：ニュートンの運動方程式

力 ＝ 質量 × 加速度●●

力が加わらなければ、物体は静止あるいは等速直線運動を続ける。
物体の運動は力と初期状態が決まれば、決まる。

量子力学（非常に小さなところでの運動を正しく記述）ih∂Ψ ( x , t ) = HΨ ( x , t )∂t：シュレディンガー波動方程式hΨ ( x , t ) : 波動関数， h＝h ：プランク定数，2π
H : ハミルトニアン (全力学的エネルギー）, i 2 = − 1 i : 虚数単位
: 粒子の運動は波動関数によって確率的に決まる。すなわち、粒子の運動は力と初期状態が決まっても、一意には決まらない。
：不確定性原理 ΔpΔx ≥ h / 2

粒子＝波動に従い、運動量が完全に決まれば、位置が決まらず、位置が完全に決まれば、運動量が決まらない。

電子の二重スリットによる干渉実験

粒子＝波動
電子も波であり、光や水の波のように干渉を起こす。

相対論とは？
古典力学：ガリレイの相対性原理「お互いに等速度で運動しているすべての慣性系において、ニュートンの運動法則は、まったく同じ形で表される。」

t → t' = t
慣性系間の座標変換(ガリレイ変換)は、三次元空間を変換するだけで、時間を変えない。

特殊相対論（非常に高速なところでの運動を正しく記述）：光速度不変の原理「真空中の光の速さは、光源の運動状態に影響されない一定値ｃである。」：特殊相対性原理「お互いに等速度で運動しているすべての慣性系において、すべての基本的物理法則（力学、電磁気学）は、まったく同じ形で表される。」
以上の二つの原理から、慣性系間の座標変換(ローレンツ変換)は、時間と空間が互いに混ざり合って変換する。 三次元空間→四次元時空。
t − vx / c 2

dp d
F== (mv)
dt dt

t → t' =：相対論的運動方程式

ただし、p は運動量、v は速度である。

v21− 2c

エネルギーと質量は等価エネルギーと質量（慣性質量)は同じものである。

E = mc2：

アインシュタインの方程式

静止質量 m0を用いるとE = m0 c + p2c2
2 4

慣性質量mと静止質量 m0との間には次の関係が成り立つ。

m=m02

v1− 2c(m0 ≠ 0の場合) ,m=pc(m0 = 0の場合)

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 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)

1900

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)
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)1950

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

2008 南部陽一郎
自発的対称性の破れ

益川敏英
小林誠
粒子反粒子対称性の破れの起源

素粒子物理学の歴史
1950

1960

1970

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)
1961年：自発的対称性の破れ(南部）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 [ヒッグス機構](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)
1973年：クォーク3世代間の小林益川混合行列(小林、益川）
1974年： J /ψ (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： ν e → ν 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)
μ1980

μ素粒子と素粒子間の力（素粒子標準理論）

電荷

電荷

2/3

0-1/300-1±1, 0
スピン 1/2

スピン 1

宇宙の目に見える物質（星、生命）は、アップクォーク、ダウンクォーク、電子（第１世代）のみでできている。

素粒子の質量1.00E+131013t

質量（電子ボルト）

1.00E+11
1.00E+09
109
1.00E+07

105
1.00E+05

cbs
τd

μue

1.00E+03

101
1.00E+01
1.00E-01
1.00E-03
10-3νe
1νμ2世代ντ3W, Z
陽子（水素原子核）

アップクォーク
ダウンクォーク
荷電レプトン
ニュートリノ

Mt > 105 Me
Me > 108 Mνeハドロン

陽子(uud ), 中性子(udd )など π + (ud )中間子, K + (us )中間子など

クォークの閉じ込め： クォークは3種類のカラー(赤、青、緑）を持っており、白色の粒子（ハドロン）のみが観測にかかる。クォークを単独で取り出すことはできない。

ゲージ対称性（素粒子標準理論の根幹の１つ）
素粒子物理学における対称性＝ある変換で運動法則が不変
例） 時間一様性（エネルギー保存則）、空間一様性（運動量保存則）
ゲージ対称性 ＝ 局所ゲージ変換をしても運動法則が不変
局所ゲージ変換： 波動関数 Ψ( x) → Ψ( x)' = eiθ ( x) Ψ( x)z ゲージボソン（W, Z, γ, ｇ）がなければならない。
z ゲージボソンの質量は０でなければならない。

W, Zボソンは質量を持つので、ゲージ対称性が破れてW, Zボソンが質量を持つ機構が必要

南部理論（自発的対称性の破れ→質量の起源）
超伝導体内：クーパー対（スピン逆向きの電子対)が凝縮
素粒子物理学におけるカイラル対称性の自発的なやぶれ
真空： 陽子・反陽子対が凝縮 → 陽子、中性子に質量を与える
現在の発展形：
1. クォーク・反クォーク対が真空中に凝縮して、ハドロン（陽子、中性子、中間子など）に質量を与えている。（QCDカイラル凝縮）
2. ヒッグス機構で、ゲージ対称性が破れてヒッグス粒子（スピン０）が真空中に凝縮して、ゲージボソン（W, Z粒子） 、クォーク、レプトンに質量を与えている。

新しい真空の概念

革命的な物理の枠組の変化
粒子＝波動 （量子力学）
4次元時空 （相対論）

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）
μ2 < 0 (現在)

南部「自発的対称性の破れ」理論を基にしている標準理論の根幹となる仮説

自発的対称性の破れの原理は、物理の基本法則は多くの対称性をもっているのに現実世界は何故これほど複雑なのか、を理解するための鍵となっています。

基本法則は単純ですが、世界は退屈でない、なんと理想的な組み合わせ
ではありませんか。

南部 陽一郎ATLAS
CDF

ビッグバン宇宙と素粒子物理

大統一理論
真空の相転移電弱統一理論
ヒッグス粒子
真空の相転移素粒子物理の研究→より微細∥宇宙物理の研究→より初期の宇宙宇宙・物質・生命の階層と歴史

２００７年度～ 宇宙史一貫教育プログラム
筑波大で素粒子・原子核・宇宙観測を統合的に教育。
CDF,RHIC,LHC,電波望遠鏡観測,宇宙赤外線観測。 2011年度 修士21名 博士15名

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
LHC加速器ATLAS実験

フェルミ国立加速器研究所(米国) FERMILAB
テバトロン加速器CDF実験

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

2TeV陽子・反陽子衝突実験（CDF実験、D0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のテバトロン加速器。
陽子・反陽子衝突エネルギーが２ＴｅＶ（２ｘ１０１２電子ボルト）

D0

CDF

Tevatron Ring

CDF測定器Main Injector

大きさ 10ｍｘ10ｍｘ10ｍ
重量 3000トン

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)（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
2011年9月
実験終了

トップとWの質量測定によるヒッグス粒子の間接探索

Wボソンの質量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

1GeV = 109 電子ボルト
トップクォークの質量

トップクォークの質量(Tevatron): Mtop = 173.1 ± 0.9 GeV/c2
Wボソンの質量(LEP2 + Tevatron): MW = 80.390 ± 0.016 GeV/c2
ヒッグス粒子の質量:

MHiggs < 145 GeV/c2 (95％信頼度）

テバトロン実験（CDF＋D0)でのヒッグス粒子の直接探索
軽いヒッグス粒子 ( MH < 130GeV/c2)
陽子中のクォーク

x
ファインマン
ダイアグラムt

ヒッグス粒子

ボトムクォーク対_bb

反陽子中の反クォーク

重いヒッグス粒子 ( MH > 130GeV/c2)
陽子中のグルオン
Ｗ, Ｚボソン対

ヒッグス粒子反陽子中のグルオン

W+W-,
ZZ

テバトロンでのヒッグス粒子探索の結果
10fb-1

MH < 130 GeV/c2

pp →WHX →l ν + bb + X

博士論文:

増渕達也，永井義一（筑波大）

2012年7月2日
147＜mH ＜180 GeV/c2, 100＜mH＜103 GeV/c2を95％信頼度で排除。
115 ＜mH ＜ 135 GeV/c2の信号の有意性 2.5σ（ 99.4％信頼度 ）2012年7月27日

チャンネルだけを用いると有意性 3.1σ（ 99.9％信頼度 ）２００７年における展望テバトロン実験（2010年あるいは2011年末まで運転）•185GeV/c2以下にヒッグス粒子が存在しなければ、 95％の信頼度（2σ）で、存在しないことを実証する• 99.7％の信頼度（3σ）で150～170GeV/c2のヒッグス粒子を検出

ＬＨＣ実験（2010年から本格運転）
2013年頃•1ＴeV/c2以下のヒッグス粒子を99.99994％の信頼度（5σ）で検出

現在説明不能な実験事実
1. 異常に重いトップクォーク、異常に軽いニュートリノ
ヒッグス粒子Mtop/Me = 3.5 x 105

トップクォークMν/Me = 10－8 ～ 10－6
2．なぜ3世代か？

ニュートリノ

なぜ質量起源として、ヒッグス機構とQCDカイラル凝縮の２段階あるのか？

3．暗黒物質とは？ 暗黒エネルギーとは？

ヒッグス粒子の発見とその性質の解明は特に１の疑問に対する答のヒントを与えるであろう。

おわりに素粒子標準理論の根幹には、自発的対称性のやぶれの理論を基にして、物質の質量が与えられるというヒッグス機構がある。この機構はビッグバン宇宙がどのように進化したのかを説明する重要な役割をはたす。 → 「新しい真空の概念」
今後、ヒッグス粒子の基本的な性質(質量、崩壊分岐比、生成断面積など)をもっと精密に測定することによって、ヒッグス粒子が標準理論予言どおりのものか、あるいは標準理論を超えた理論に従うものかが明らかになる。それは新しい物理の始まりを告げるものになることが期待される。

BACKUP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。

時間

宇宙創生

宇宙史

２００７年度～ 宇宙史一貫教育プログラム
筑波大で素粒子・原子核・宇宙観測を統合的に教育。
CDF,RHIC,LHC,電波望遠鏡観測,宇宙赤外線観測。 2011年度 修士21名 博士15名

CDFII Detector

大きさ 10ｍｘ10ｍｘ10ｍ
重量 3000トン

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

トップクォーク対生成のファインマン図

陽子の中のクォーク

反トップクォーク

グルオン
トップクォーク
反陽子の中の反クォーク● Dilepton チャンネル

t t → W+ b W- b → l + l - ν ν b b→ ● Lepton + Jets チャンネル
t t → W + b W - b → l± ν q' q b b● Multi-Jets ( All Hadronic )チャンネル

t t → W + b W - b → q' q q' q b b

ヒッグス粒子（標準模型）の生成断面積と崩壊分岐比（TEVATRON）
生成断面積（TEVATRON）
生成断面積ｘ分岐比

ヒッグス粒子（標準模型）の生成断面積（LHC）

ヒッグス粒子（標準模型）の崩壊比

重い領域でのヒッグス粒子探索
 H→WW→lνlν
2つの荷電レプトン（電子かミュー粒子）

WH+W‐W‐

バックグラウンド

ヒッグスの信号レプトン間の角度

eW+μ+

ν

‐

ν
ヒッグス粒子の崩壊で生成したレプトン間の角度は小さくなる。一方、バックグラウンドの角度分布は異なる。

重い領域でのヒッグス粒子探索
ヒッグス粒子の存在を否定する信頼度

信頼度95%で、質量160～172GeV/c2のヒッグス粒子の存在を否定した。
信頼度90%で、質量157～180GeV/c2のヒッグス粒子の存在を否定した。

ヒッグス粒子の質量
114

160

172

185GeV/c2１
ヒッグス粒子の存在が否定された質量領域（信頼度95％、90% )０テバトロン実験でどこまでヒッグス粒子に迫れるか
ヒッグス粒子検出に必要なデータ量
2010年末： 7 fb-1
X2.25

•185GeV/c2の以下にヒッグス粒子が存在しなければ、 95％の信頼度（2σ）で、存在しないことを実証する。
• 99.7％の信頼度（3σ）で150～170GeV/c2のヒッグス粒子を検出。
7.0

ヒッグス粒子の質量素粒子物理、宇宙物理についての解説書

z 「クォーク」 南部陽一郎 Blue Backs 講談社
z 「ビッグバン」 佐藤文隆 Blue Backs 講談社
z 「なっとくする宇宙論」 二間瀬敏史 講談社

ヒッグス粒子探索についての記事（２０００年）

CERN研究所の電子・陽電子衝突実験（ＬＥＰ2実験）で質量１１５GeVのヒッグス粒子の候補事象が見えた。これがヒッグス粒子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。

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）
第１世代
アップ u (0.002)
クォーク ダウン d (0.005)
レプトン

第２世代

第３世代

電荷
チャーム c (1.3) トップ t (175 )2/3
ストレンジ s (0.14) ボトム b ( 4.2) - 1/3

電子 e (0.0005) ミュー粒子μ(0.106) タウ粒子τ(1.8)
電子ニュートリノ νeミューニュートリノ νμ

力を伝える粒子（ゲージボソン）
強い力

電磁気力

弱い力

グルオン(0)光子(0)Ｗ粒子(80)Ｚ粒子(91)

タウニュートリノ ντ-10（ ）内の数字はGeVの単位で書かれた質量。
１GeV＝１０９電子ボルト

ヒッグス粒子の直接探索の結果

H→ZZ

WH, ZH→Met+bb
WH→lνbbMH < 130 GeV/c2
博士論文:

H→WW

pp →WHX →l ν + bb + X
増渕達也（筑波大），永井義一（筑波大）

テバトロンでのヒッグス粒子探索の結果
10fb-1

2012年7月2日

147＜mH ＜180 GeV/c2, 100＜mH＜103 GeV/c2を95％C.L.で排除。
115 ＜mH ＜ 135 GeV/c2のexcessの有意性 2.5σ_（2012年7月27日 H→ bb チャンネルだけを用いると有意性 3.1σ）