ILCの物理と測定器
末原 大幹
九州大学 大学院理学研究院
物理学部門 素粒子実験講座
Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 1

略歴• 1980年生まれ、41歳、東京都出身(単身赴任中)• 2003-2008 東京大学理学系研究科物理学専攻 大学院生
– 常伝導加速管(Xバンド)放電現象の研究 (2004. ILCは超伝導を採用)– レーザ干渉縞を用いたナノビームサイズモニターの開発 (ATFで活用中)• 2008-2013 東京大学素粒子物理国際研究センター 特任研究員– ILC物理解析・ソフトウェア開発– 大強度サブテラヘルツ波によるポジトロニウム超微細構造遷移実験• 2013.4-9 東北大学理学研究科物理学専攻 助教– ILC物理(継続)、崩壊点検出器開発• 2013.10- 九州大学理学研究院物理学部門 助教– ILC物理(継続)、シリコン電磁カロリメータ開発– J-PARC muon g-2/EDM実験 シリコンストリップ測定器開発・ソフトウェア開発

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ILCの概要• 電子陽電子衝突型加速器– 重心系エネルギー: 250 GeV (第一期)– 直線 20 km (50 kmまで延長可)• 日本がホストする国際プロジェクト (北上山地)– 日米欧の三極で分担– 「ILC国際研究所」は長期にわたる国際拠点へ

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国際リニアコライダー計画 タイムライン
現在 2021年

2004

2020

• 国際設計• 政府検討• 現地設計• 地域準備

2022

8月～

移行期間
(1～1.5年)

ICFAの元、KEKをホストとして設置

準備研究所設置のための作業チーム

2019年秋~
米国政府がILCへの支持を明確化2016年〜日米2019年〜日独
2020年〜日独仏英

2035

2055

建設(10年) 運用・実験(20年)準備研究所 (Pre-lab)

ILC研究所設置

研究所間覚書 (MoU)で設置

ILC研究所＋将来拡張計画＋多目的化

政府間協定・条約等での設置・運用

ILC加速器の建設・運転
測定器決定・建設/運転サポート
アップグレードの研究・開発

加速器・施設最終設計
測定器EoI・LoI公募・審査
環境アセスメント等

各国研究所の合意(開発分担)
日本政府予算措置

政府間対話・議論

政産官学国際対話準備(4年)

準備研究所設置
＠KEK

国際推進チーム
(IDT)

日米・日欧
議員対話

2025

測定器グループ

測定器最終設計
EoI・LoI提出・TDR準備

測定器コラボレーション
測定器の建設・運転
物理解析

クリティカル・ディシジョン
主要パートナー国政府間にて国際分担合意して初めて実施できる

政府間折衝

政府間合意

政府間合意ができない場合、計画は建設実施前に停止される。
準備研究所の最新技術は参加機関で共有、有効活用される。

ILCの物理

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素粒子とは世の中のすべてのものを構成する
基本粒子、それ以上分けられない
クォーク、レプトン、ボソンの3カテゴリ17種類のみ知られている素粒子と宇宙の関係は？
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宇宙と素粒子
ミクロ

マクロ

極大なもの・宇宙は極小なもの・素粒子の基本法則に従っている！

村山斉「宇宙は何でできているのか」より

素粒子を調べると宇宙がよりわかる！

「ウロボロスの蛇」
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宇宙のはじまり: ビッグバン

宇宙のはじまりは、超高温の火の玉(ビッグバン=大爆発、138億年前)
宇宙は急速に膨張しながらだんだん冷えていった
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Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 9

物質の誕生(30万年)
宇宙の晴れ上がり

インフレーション宇宙(10-36秒)
核子の誕生(0.0001秒)

星の誕生(10億年)

原子核の誕生(100秒)

宇宙の始まり=超高温高密度状態では、物質はばらばらになってしまい、「素粒子のスープ」
状態になる。素粒子物理の法則が支配する世界

現在(138億年)

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宇宙の「謎」

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credit: Fermilab, NASA, ESA, G. Piotto (University of Padua) and A. Sarajedini (University of Florida)宇宙の「謎」
1. 未発見の根本原理はあるのか？
2. ダークエネルギーとは何か？
3. 時空には余剰次元が存在するのだろうか？
4. すべての力は統一されるのか？
5. 素粒子の種類はなぜこんなに多いのか？
6. ダークマターとは何か？
実験室で作ることはできないのか？
7. ニュートリノは何を教えてくれるのだろうか？
8. 宇宙はどのようにして現在の姿になったのか？
9. 自然界に反物質が見当たらないのはなぜか？
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credit: Fermilab, NASA, ESA, G. Piotto (University of Padua) and A. Sarajedini (University of Florida)

素粒子「標準模型」

赤網掛け: 重い不安定粒子
出典: 高エネルギー加速器研究機構

世の中のすべての現象(重力を除く)は、この17種の素粒子(と反粒子)の相互作用で記述できる。
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素粒子と力(相互作用)
大統一理論

重力

?

強い力と電弱理論の統一

g

強い力

グルーオン

弱い力

W, Z

電磁気力

γ

究極の統一理論はあるか？

E = mc2

-

-

宇宙の年齢

- -

エネルギー

- -

質量とエネルギー
は等価
宇宙初期に
電弱理論
重い粒子が 電磁気力と弱い力の統一
生成10-36秒

10-10秒

38万年

138億年(現在)1019 GeV 100 GeV ← 陽子の静止質量の約100倍

10-44秒Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 14

ファインマン図• 素粒子の反応を図示できる便利な図• 横軸は時間を表す– 左端が始状態– 右端が終状態

弱い力• 点が交わるところ(vertex)で反応が起こる– ミューオンがW-とニュートリノに崩壊する上部のvertexと、W-から電子と反ニュートリノが発生する下部のvertex– 各点で保存則を満たす必要がある• 電荷、レプトン数など• 不確定性原理により、エネルギー保存は中間では満たさないこともある
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重力・強い力• 重力: 日常的な力だが、量子力学と整合性を持つ理論はない– 超弦理論が重力を含めた統一理論の候補:
ただし現実に対する予言能力は現状なし• 強い力: クォーク同士を結びつける力。
質量のないグルーオンにより媒介される
量子色力学(QCD)により記述されるクォーク : 赤青緑の3色のカラー荷を持つグルーオン: 3色と反3色の2つのカラー荷
強い力はカラーを持つ粒子間に働く力は距離が離れるほど強くなるため、マクロな距離では常に「白色」 (カラーの閉じ込め)
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弱い力• 弱い力: フレーバー(u, dなど)の違う粒子間に働く力。フレーバーを転換させる(中性子陽子など)ことにより、放射性崩壊などを引き起こす– 重いクォーク、レプトンはすべて弱い力により軽いク
ォーク、レプトンに崩壊する
ただしレプトン数、バリオン数は保存する– 媒介する粒子の質量が大きい(W: 80.4 GeV, Z: 91.2 GeV)ため、低いエネルギーでは結合が非常に弱くなる(不確定性原理)– パリティが保存しない
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電磁気力• 電磁気力– 電荷を持つ粒子の間に働く– 光子が媒介する– 光子は質量がないため、長距離力– 低いエネルギーでは弱い力より強く、強い力より弱い (ただし超ウラン原子核などでは電磁気力と強い力が拮抗し結合が不安定となる)

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電弱理論 (Weinberg-Salam theory)• あるエネルギー(電弱エネルギースケール:
約100 GeV) より高いエネルギーでは弱い力と電磁気力は一つの力だった• 「自発的対称性の破れ」により、「電弱力」
Weinbergを媒介する粒子が混合し、弱い力を媒介する Steven(1933-) 1979年
重いW, Zボゾンと電磁気力を媒介する質量 ノーベル物理学賞
UT Austin教授(現役)のない光子が生まれる• W, Zに質量を与えるのが「ヒッグス機構」で、電弱理論の核となる部分– 当時未発見の「ヒッグス粒子」を予言する• 電弱理論 + 量子色力学= 「素粒子標準模型」

南部陽一郎 (1921-2015)「自発的対称性の破れ」により2008年ノーベル物理学賞
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素粒子と力(相互作用)
大統一理論

重力

?

強い力と電弱理論の統一

g

強い力

グルーオン

弱い力

W, Z

電磁気力

γ

究極の統一理論はあるか？

E = mc2

-

-

宇宙の年齢

- -

エネルギー

- -

質量とエネルギー
は等価
宇宙初期に
電弱理論
重い粒子が 電磁気力と弱い力の統一
生成10-36秒

10-10秒

38万年

138億年(現在)1019 GeV 100 GeV ← 陽子の静止質量の約100倍

10-44秒Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 20

素粒子「標準模型」

出典: 高エネルギー加速器研究機構

ヒッグス粒子が素粒子のミッシングピースだった(1994年までに他の全ての素粒子は発見された)
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「ヒッグス粒子」発見: 2012/7/4

Credit: CERN

2013年、ヒッグス、
アングレール両氏がノーベル物理学賞受賞
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ヒッグス粒子とは• 真空に「凝縮」している(真空期待値246GeV)• ヒッグス粒子と相互作用する粒子は真空中を通過するとヒッグス粒子から「抵抗」を受ける– 抵抗の大きさが
質量: 粒子に固有• 唯一の「スカラー」
素粒子 (spin 0)– フェルミオン: ½– ゲージボゾン: 1
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ヒッグスと自発的対称性の破れ
真空のスカラーポテンシャルV(Φ)µ2<0のとき、
Φ=0の真空は不安定で、Φが0でない真空に崩壊する (真空の相転移)
我々の宇宙ではヒッグスの真空期待値
v = 246 GeV
このとき、µはヒッグス粒子の質量項となりλは自己結合定数となる

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標準模型の問題点• ヒッグス粒子の「自然さ」• ダークマター• 宇宙の物質生成• ニュートリノ質量• クォーク・レプトンの世代• …

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ヒッグス粒子と「自然さ」• 2012年、ヒッグス粒子発見  質量125 GeV• ヒッグス粒子は図のようなダイアグラムによる自己エネルギーを持つ• 閉線はエネルギーについて積分するが、非常に高いエネルギーまで標準模型が成り立つとすると、この図のエネルギーが発散する(それを打ち消す裸の質量を仮定すると不自然)• 電弱エネルギーの近くに新物理の存在を示唆– ループの寄与を打ち消すような新物理を仮定する– 1 TeVで約2桁のfine tuning, 10 TeVで4桁のfine tuning

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ダークマターとは？
正体不明な何かの物質(いまの理論には存在しない物質)
重さはある。重力の影響は見える。
物質をほとんど通り抜けるので直接見るのはとても難しい

素通り

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ダークマターの証拠
物質: 衝突して反応

ダークマター: 素通り
銀河同士の衝突後の星の位置と重力中心の位置を測定
重力中心がより離れている 反応しない物質(ダークマター)が多い
Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 28

宇宙背景輻射の測定

プランク衛星宇宙からやってくる電波を調べると、ダークマターの量がわかる
Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 29

ダークマターとダークエネルギー• 既存の「素粒子」は全体の4.9%• 「ダークマター」が26.8%– ダークマターは物質なので、他の物質と何らかの反応をする。それを検出できると考えられている(ただしまだ見つかっていな
いことから反応性は低い)• 「ダークエネルギー」が68.3%– 宇宙の膨張に関わる量。
詳細はいっさい不明
Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 30

ダークマターの候補• 新粒子(未知の相互作用)– 重くて反応しにくい中性粒子

Weakly Interacting Massive Particles (WIMP)• W, Zより少し重い電弱エネルギースケールの粒子• 「弱い力」のみにより標準模型の粒子と結合– 軽くて反応しにくい中性粒子

Weakly Interacting Slim Particles (WISP)• WIMPよりさらに反応しにくい• 低エネルギーの特殊な実験で探索(今回は取り上げません)• 既存の物体(ブラックホール、矮星など)
Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 31

ダークマターによる反跳の検出電荷を持つ粒子が物質を通過すると電子・イオン対が生成(電離)LUX検出器(アメリカ)

電場

イオンは周りの物質と反応して光を発生(シンチレーション光)
電子は電場に引かれて電極に向かう
電極の近くはガス中に高電場をかけてあり電子が加速されて多数の光子を発生、検出される(2次光子検出)

ダークマターの信号は微弱で低頻度なため大気中や測定器中の放射性物質を極限まで排除。また宇宙から来る放射線を防ぐため地下深くに設置する。

Image: Carlos Faham

Image: LUX

XMASS検出器 (東大宇宙線研)

Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 32

宇宙の物質生成• ビッグバンの時に物質・反物質は真空からペアで生成した– 宇宙が冷えるとともに物質と反物質は対消滅し同数だけ消えていく• いつのまにか物質が1/10億だけ多くなっていて、物質だけが残った– 物質と反物質で物理法則は厳密には等しくない。(弱い力のみ)– ただし現在わかっている非対称性では1/10億のずれを説明できない。
(もっと小さい)– 物質生成に対する多数の仮説がある• レプトジェネシス・電弱バリオジェネシス…

ヒッグス場の相転移により非対称性ができる

Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 33

Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 34

素粒子と力(相互作用)
大統一理論

重力

?

強い力と電弱理論の統一

g

強い力

グルーオン

弱い力

W, Z

電磁気力

γ

究極の統一理論はあるか？

TeVスケールに新しい物理がありそう？

電弱理論

電磁気力と弱い力の統一

- -

-

-

宇宙の年齢

- -

エネルギー

10-36秒

10-10秒

38万年

138億年(現在)1019 GeV 100 GeV

10-44秒Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 35

超対称性 (SUper SYmmetry: SUSY)

ダークマター
候補

Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 36

SUSYとヒッグス階層性問題• ヒッグスには「自然さ」の問題があった– 巨大な輻射補正とそれを「たまたま」極めて高い精度(24ケタ)で打ち消す裸(輻射補正前)の質量• 標準模型の全粒子にspinが1/2違うパートナーがいれば輻射補正を打ち消すことができる
 自然さの回復• ただし、パートナーがあまり重いとやはり輻射補正がずれるので、TeV領域に新粒子を要求

Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 37

SUSYにおけるダークマター
Rパリティ: 超対称性を規定する保存量
標準模型の粒子: 1
超対称性粒子: -1反応の前後でRパリティの積は保存
例1)

例3)

例2)

1

1
OK

-1

-1
OK

-1

1
NG

結論: 超対称性粒子は単体での崩壊では消滅できない最も軽い超対称性粒子(LSP)は安定
その他、余剰次元モデル、リトルヒッグスモデルなど、
ヒッグスの階層性問題解決とダークマターを含むモデルが存在
加速器実験による直接探索が鍵となる
Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 38

様々な可能性
時空概念の拡張
超対称性または余剰次元

物質構造の拡張
複合ヒッグス

原子

究極理論へ一直線標準理論と究極理論が直結？

電子

原子核

全く新しい原理？
複数宇宙＋人間原理？

究極理論へ
新たな突破口

核子
ゲージ粒子

y
新たな次元
の方向

クォーク

z x

レプトン

ヒッグス粒子新しい階層
新しい強い力第二の道：「より深い階層」

第一の道： 「新たな次元」

現在地（電弱スケール）

標準理論からのズレが見られな
かった場合

第三の道：「複数宇宙？」

Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 3913※: 超対称性 = 物質粒子と力の粒子を入れ換える新しいタイプの次元

宇宙の謎を解き明かす二つの加速器
LHC Large Hadron Collider

ILC International Linear Collider• 現存最大の加速器 27 km • 次世代直線加速器 20 km• スイス・ジュネーブ近郊• 日本に建設予定(海外からも多数参加)• 日本からも多数参加• LHCより精密な測定が可能• 2012年、質量を司る
ヒッグス粒子発見

Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 40

LHC Large Hadron Collider

ILC International Linear Collider

陽子・陽子衝突 13000 GeV
円形

電子・陽電子衝突 250- GeV
線形• エネルギーは高い• 複合粒子同士の衝突のためエネルギーの大半は見たい反応に寄与しない• 不要な生成粒子が多い• エネルギーは低め• 素粒子同士の衝突のため
すべてのエネルギーを新粒子生成に利用できる• 不要な生成粒子は少ない

重いが見やすい状態が得意

軽ければ見にくい状態でも見える

得意分野を生かし、協力して新物理を探索
Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 41

ヒッグスを巡る数々の謎• 「自然さ」の問題 – TeV新物理を強く示唆• 標準理論で「唯一の」スカラー粒子– ヒッグス粒子は他にないのか?
• 他にヒッグスがある模型: Two Higgs doubletなど– ヒッグス粒子は本当に素粒子なのか?
• 複合ヒッグス模型ではヒッグスは複合粒子• 他の粒子との結合(=質量)はどう決まったのか?
– クォーク、レプトンの世代との関係は?

• 暗黒物質やダークセクターとの結合は?
• 宇宙の物質生成に関わるか?
etc...
Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 42

ヒッグス生成@ILC
250 GeV> 350 GeV

250 GeVでは e+e-  ZHが重要
断面積は電子・陽電子偏極にもよる
電子左偏極、陽電子右偏極(eLpR)が最も生成断面積が大きい。
(eRpLで約6割程度)
0.9 x 300 x (1+0.6) = 432,000事象
200日x5年走るとして、432/day

Lintは積分ルミノシティ
ILC 250 GeVでは
2 ab-1を想定(eLpR, eRpLを0.9 ab-1ずつ )εはほぼ100%。ただし背景事象を選ぶ過程で信号事象も一部が失われる(解析手法による)

Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 43

ヒッグスの崩壊• 生成したヒッグス粒子は即座に崩壊する– ヒッグスは電荷もバリオン・レプトン数も持たないので粒子・反粒子ペアに崩壊– ヒッグス粒子の結合は質量の2乗に比例

崩壊モード

崩壊分岐比

ILC 事象数bb

58.1%

290,000

WW

21.5%

110,000

gg

8.2%

41,000ττ

6.3%

32,000cc

2.9%

15,000ZZ

2.6%

13,000

γγ

0.2%

1,000

• 重い粒子に壊れやすい• ただしヒッグスの質量の½を越えるとエネルギー
保存を満たさないため
確率は下がる (off-shell崩壊と呼ぶ)
Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 44

ヒッグスの測定• ヒッグスの崩壊生成物はさらに崩壊する

崩壊モード

崩壊分岐比

bb

58.1%

WW

21.5%

gg

8.2%

ττ

6.3%

cc

2.9%

ZZ

2.6%

γγ

0.2%

– b, c, gluon ハドロンジェット
CMS(多数のハドロンの束)– W  qq (2/3), lν (1/3)
Z  qq (70%), νν (20%), ll (10%)
クォークはハドロンジェットになるτ  1～数個のハドロン/レプトンに崩壊 (tau jet)γ  高エネルギー光子としてそのまま検出可能• ジェットやレプトンを測定器で検出する (後述)
Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 45

ヒッグスの測定 (2)• 事象分離– 信号事象(ヒッグス)の10～100倍の背景事象がある– Z, Hの運動量・エネルギーや生成角、クォーク
の種類等の情報を駆使して背景と信号を分離する– ILCの始状態の4元運動量は明確
Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 46

ヒッグス反跳質量測定• “Higgsを見るのにHiggsを見ない”→ 反跳されるZ → llのみを使う(4-momentum conservation)• “Higgsを見ない”のでどんな崩壊でも関係なく見える→ ヒッグスの性質に依存しないδmH ~ 30 MeV

Higgs CP canOHO’21,
also be7obtained
Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー
Sep. 2021 page 47

ヒッグスの結合定数測定• 各崩壊の事象数を高精度測定– 精度:
テキスト訂正S: 信号事象数
N: 背景事象数

崩壊モード

崩壊分岐比

ILC 事象数bb

58.1%

290,000

WW

21.5%

110,000

gg

8.2%

41,000ττ

6.3%

32,000cc

2.9%

15,000ZZ

2.6%

13,000

0.2%

1,000

– 1万事象、背景なしで1%統計誤差 γγ– 1万事象、背景10万で3%統計誤差• 精度: 統計誤差と系統誤差による。
電子陽電子コライダーは理論予測の精度が高く
系統誤差も1%以下に抑えられる。
ILCでは概ね1%以下の精度で各結合定数を決定する。
Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 48

ヒッグス結合定数による新物理探索• ヒッグスの結合定数の標準理論からのずれが発見できれば、そのパターンから新物理を区別できる。
– SUSY: b/τの結合が上昇– 複合ヒッグス: フェルミオンの結合定数が下がる
ずれが見えるかどうかは新物理のパラメータによるが、ILCではTeV新物理の多くをカバーする

Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 49

ヒッグスと新粒子の直接結合探索
Higgs Invisible Decays

Exotic Higgs Decays
X
X

b
b
b
b

,

b
b
DM
DM

,

etc.

Hadronic Z decay (ILD), Kato, 2002.12048

Liu, Wang, Zhang [1612.09284]

Invisible decay branching ratio: 0.3%
(95% CL upper limit)

LC sensitive to various exotic Higgs decays

Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 50

ヒッグス自己結合v
ヒッグス
ポテンシャル
の4次の項
真空の構造
を決める
H

H

H

真空の2次相転移

宇宙の物質生成を解き明かす
二つのプローブ
1. ヒッグスと電弱バリオジェネシス• 真空の一次相転移
2. ニュートリノとレプトジェネシス• 重いレプトン崩壊のCP破れ

真空の1次相転移
スファレロンによる
電弱バリオジェネシス
に必要
電弱バリオ
ジェネシスならλの値はO(10%)以上増加する

Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 51

ヒッグス自己結合@ILC upgrades-channels-channelt-channelt-channel

干渉項の効果でさらに実質断面積低下
断面積が小さく困難。1 ab-1でO(100)事象
干渉項が3点結合の測定精度に影響s-channelは正の干渉,
t-channelは負の干渉(LHCは負の干渉)

channel√s[GeV]λ精度s (正の干渉) 500-600~20%t (負の干渉)

<10%

>1000

深層学習によるジェット
再構成性能の抜本的な改善に取り組んでいる

Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 52

トップ測定 @ ILC 350 GeV
topの精密測定

ILC500Threshold scanによるtopの精密測定
MSbarに直接変換できる「理論的に扱いやすい」質量を直接求められる

ILC (350)3σ偏極を用いて左巻き、右巻きの結合定数を求め、Topが関係する新物理の探索・モデル識別が可能

ILC で真空の位置を正確に決定
arXiv:1205.6497, Degrassi Taikan
et al.
Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 53

SUSY直接探索 @ ILC any energy• SUSY粒子の探し方– 重い新粒子を対生成
 LSP (暗黒物質)と通常の粒子に崩壊例) χ+  χ0 qq
χ0 は検出不可能 (暗黒物質)
χ+ と χ0 の質量差が小さい場合、qqのエネルギーが小さくなり
LHCでは検出困難に
 Compressed SUSY
– ILCでは検出・精密測定可能 χ0 qq χ0 qq

Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 54

Mono-photon searcharXiv:2001.03011

モデル非依存にm < √s/2 の暗黒物質を直接探索
偏極を用いて暗黒物質のスピンの情報が得られる

Λは新物理のエネルギースケール

複数の衝突エネルギーでの測定により
スピン・質量を
さらに感度よく決定できる~3 TeVスケールの新物理に感度
単一光子信号とバックグラウンド

Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 55

固定標的実験@ILC

エネルギーは高いが結合が大きい コライダーでの新物理探索
エネルギーが低く結合が小さい
 固定標的実験

ILCでもビームダンプや取り出しラインを用いて様々な実験が可能
現在検討中

Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 56

ILC物理のまとめ

Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 57

Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 58

ILCの測定器
電子・陽電子を超高速で衝突させ、ビックバン直後の宇宙を再現！

電子と陽電子の衝突点に設置される素粒子反応の「目」となる測定器

Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 59

ILCの測定器

International Large Detector (ILD)
主に日本+ヨーロッパ

Silicon Detector (SiD)
主にアメリカ2つの測定器グループがある
焦点は1つしかないので、交互に置く(push-pull)か、
あるいは1つに統合するか。
Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 60

本日のトピック: 測定器• 物質と粒子の相互作用• ILC測定器の概要• 検出器技術• ILC測定器の検出器要素

Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 61

example: ZHµµbb

Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 62

example: ZHµµbb

e+

e-

Z*

Z

µ
µ

H

b
b

見たいのはZH反応
ただしZもHも即座に崩壊するため直接測定器では見えないµとbの崩壊からできる多数の粒子(ジェット)を測定器で観測し、それをもとにZとHの情報を再構成する±, K±, K0, n, pくらい測定器で直接見えるのは、e,µ,γ,πTaikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 63

測定器で測れるもの• 粒子の生成位置– 衝突点からのずれ(impact parameter)

400 µm60-300 µm• 粒子の生成時間• 粒子の運動量・エネルギー– 荷電粒子は磁場で曲げて曲率から– 中性粒子はシャワーを起こしてカロリメータ• 粒子の種類– 様々な識別パラメータを用いて総合的に評価
これらをいかに精度よく、間違いなく測れるかが測定器の性能
Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 64

大規模実験の測定器のチャレンジ• レート耐性、粒子分離– 同時/短時間に多数の粒子が飛来• 放射線耐性• 大量のデータ– 処理速度、蓄積速度、データ量、計算量

554 ns1300-2600

Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 65

物質と粒子の相互作用

Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 66

粒子と物質の相互作用• 荷電粒子(のみ)の相互作用– 電離(ionization)– 制動輻射(bremsstrahlung) 電子のみ
– チェレンコフ放射 etc.

• 光子の相互作用– 電子・陽電子対生成– コンプトン散乱(、トムソン散乱)– 光電効果 etc.

• その他(中性ハドロンなど)– 非弾性散乱など
Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 67

ionization

charged particle
gas detector

e+e- pairsensor layer

粒子のエネルギーと物質量で生成するpairの数は決まる
pairの時間・空間情報を再構成するのが測定器
Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 68

荷電粒子の検出
検出器で
見える主な
荷電粒子
π (140 MeV)K (494 MeV)
p (938 MeV)e (0.511 MeV)µ (106 MeV)
jetの中身はほとんどπ/K
electron以外は、希薄な物質中では主にionizationでエネルギーを落とす。
Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 69

electron – multiple scattering

electronは衝突する相手が軽い近似が使えないので1回1回の散乱の影響が大きい
よって直線上にトラックを描かない
Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 70

制動放射
荷電粒子(特にelectron)が物質にぶつかるとbremsstrahlung(制動放射)やmultiple scatteringによりもとの電子の運動量が乱されることがある
物質量を減らすことで確率を減らせる
ILCのtrackerは低物質量

光子も
物質中で
e+e- pairに変換される
Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 71

磁場と運動量• 荷電粒子の飛跡がわかれば磁場から運動量が求められる– 磁場はビーム軸(Z)方向のソレノイド磁場– 一様性が重要– r方向に粒子はカールする。z方向は曲がらない– pT [GeV] = 0.3 B [Tesla] r [m](ローレンツ力の式から求められる)– pZとpTの比は粒子の放出角から求められる  pが求められる– 精度はとても高い(カロリメータに比べ)
Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 72

エネルギーの低い粒子はよく曲がる(rが小さい)
エネルギーの高い粒子はあまり曲がらない
粒子は”Z軸に巻き付く”ように曲がる

Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 73

photonの反応
光電効果
高Eではほぼない
コンプトン散乱中Eでややあるe+e-対生成
中高Eでdominant
荷電粒子と違って連続的な反応ではなく大きな変化が確率的に起こる
本質的には上記反応で荷電粒子に変換して見る
Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 74

radiation length X0
photonの対生成の平均自由行程の7/9
electronのenergyがbremsstrahlungで平均1/eになる物質量

Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 75

electromagnetic shower

対生成と制動放射が交互に起きて粒子がなだれ状に増大。1粒子のエネルギーが低下して対生成できなくなるまで続く。「電磁シャワー」
粒子数と元の光子のエネルギーはほぼ比例関係。

モリエール半径(シャワーのエネルギーの90%が入る半径)
原子番号大、高密度の物質で小さくなる

Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 76

neutral hadronとhadron shower

核破砕反応により主にpionを生成
π0はすぐにphotonに崩壊、電磁シャワーを起こす
ニュートリノも発生するため全エネルギーを荷電粒子に変換できない  resolutionが悪い
ハドロン相互作用長λは電磁シャワーよりずっと長い 大きな測定器が必要となる
Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 77

粒子と物質の相互作用まとめ• 荷電粒子(のみ)の相互作用– 電離(ionization) 電子はmultiple scattering– 制動輻射(bremsstrahlung) 電子のみ
– 磁場で曲がる (pT [GeV] = 0.3 B [Tesla] r [m])• 光子の相互作用– 電子・陽電子対生成 (> 10 MeV)
– コンプトン散乱 (0.1 – 10 MeV)
– 光電効果 (< 1 MeV)

• 中性ハドロンの相互作用– 非弾性散乱(核破砕)など
Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 78

ILC測定器の概要

Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 79

測定器の構造
リターンヨーク& muon検出
超伝導磁石
カロリメータ

飛跡検出器
trackerビーム

Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 80

測定器の構造

エンドキャップ

θ

Z軸
バレル

ビーム

Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 81

超伝導電磁石 (3.5 Tesla)
強力な磁場で荷電粒子を曲げる
カロリメータ
中性粒子の位置、エネルギーを測定
ガス検出器(TPC)
荷電粒子の運動量を正確に測定
電子

陽電子

ビームパイプ
シリコン崩壊点検出器・飛跡検出器
荷電粒子の位置を精密に測定する
衝突点

内側に荷電粒子の検出器、外側にカロリメータがある
得られた粒子の情報から元の反応を再構成していく
Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 82

ILD & SiD

ILD

SiD

VertexCMOS/CCD/…

Chronopixel/3D/…

Tracker

Silicon + TPC

Silicon

ECAL

Silicon/Scintillator

Silicon/MAPS

HCAL

Scintillator/GRPC

Scintillator/GRPC

Magnet

3.5 Tesla

5 TeslarECAL

1800 mm

1250 mm

SiD is…
• Smaller• Cheaper (~20%)• More advanced• Slightly worse
in PFA performance

Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 83

検出器技術• 半導体検出器 (シリコン)• ガス飛跡検出器• シンチレーション検出器
Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 84

半導体検出器 (PNダイオード)
荷電粒子

測定電極
P+ cellV

センサー部
(n substrate)
バイアス電極
P+側にホール、N側に電子が存在(逆)バイアス印加によりホール・電子が電極に吸い寄せられ間にキャリアのない空乏層が発生
Si

荷電粒子が通過すると荷電子帯の Ge
電子・ホール対が伝導体に励起
CdTe
され電流が流れる
CVD

BandgapZ

特徴

1.1 eV14

安価

0.7 eV32

低温必須

1.4 eV48-52

毒性

5.5 eV6

放射線耐性

Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 85

シリコンセンサー• 半導体センサー– Bandgap energy 1.12 eV– Ionization energy 3.6 eV
1 MeV で 3x105 e/h pair (cf. NaI: 2x104 pe/MeV)– Energy loss at MIP 80 e/h pairs / µm

• 常温で使用可 (cf. Ge: 冷凍機必要)• 「産業のコメ」…
幅広く使われ入手性がよい– Siは石から取れる

Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 86

従来型シリコンセンサー• 原材料: High resistivity silicon wafer– Resistivity 大  浮遊電荷小 低い電圧で空乏化
10 kΩ・cmが目安  300 µmのセンサーで<100V• 厚み=信号量 (ゲインなし)– 厚い方が信号大、ただし物質量大– いくつか規格があり、そのまま使うと安くなる(6インチ: 320/500 µm、8インチ: 720µmなど)– 信号量 a few fC (MIP) アンプ必須(性能が重要)• ウェハサイズ– 4インチ/6インチ/8インチ/12インチ
Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 87

従来型シリコンセンサー: 種類
荷電粒子• センサーの種類– ストリップセンサー (SIT/SET)
P+部をstrip状に分割、1次元位置検出測定電極
P+ cell

V
センサー部
(n substrate)
バイアス電極• 縦と横を組み合わせて
2次元位置検出 (2 x SSSD)• 裏面もパターニングして1枚で2次元検出も可能(DSSD)• Hit密度が高いとゴーストが生じる– パッドセンサー (ECAL)• 2次元に分割したセンサー• 位置精度は低いがゴーストはない
Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 88

シリコンセンサーの製作 (HPK)• フォトマスクの製作– ウェハ状にセンサーをレイアウト– センサーの大きさ、種類、cell/strip sizeなど– ガードリング構造– 読み出しパッドの構造 など– 概要を提示HPKが詳細デザイン• センサーの製作– フォトマスクを選択(既存のものも選べる)– センサーの厚み、抵抗率、枚数など– 納期数ヶ月
Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 89

シリコンセンサーの性能評価
電圧電流特性
暗電流、breakdown電圧の測定

レーザ照射試験
検出器応答を再現(ただしセンサーに開口部が必要)1064 nm pulsed
Nd:YAG レーザ
容量電圧特性
検出器容量、空乏化電圧の測定
Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 90

シリコンセンサーの放射線耐性• Ionization Dose
– 絶縁部にイオンが蓄積し、絶縁が悪くなる– 荷電粒子によるダメージ– センサー表面へのダメージ、センサー構造による• Displacement Effect– バルク部のシリコンが原子核散乱によりたたき出される格子構造が変化– 暗電流が増加する– ダメージは構造によらず、よく理解されている• ILCの場合、forwardを除き影響は小さい– N bulkは照射の蓄積によりP bulkに変化

Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 91

アバランシェ増幅• Breakdown電圧の付近で「制御された」
なだれ増幅を起こす
ことができる(通常はVbr + 数V)• 光検出器に用いられ大きな成果• 最近荷電粒子のセンサーにも応用 (LGAD)– 速い時間応答 (数10ps)
Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 92

半導体光センサー• APD (avalanche photo diode)– 通常はG ~ 100程度– 通常結晶シンチレータ等光量の多い
シンチレータと組み合わせて使う– 応答は速い• SiPM/MPPC– ガイガーモード、G ~ 106,
原則アンプ不要– 多数のピクセル(例: 1600)を一つのoutputに接続– 入ったセルの数を数える (photon counting)– 1セルに複数hitした場合はカウントできない(数nsのrecovery time後は再びactive)

Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 93

Monolithic Silicon Sensor• 民生用シリコンチップ– バルク部は単なる保持材、上部に回路をパターン• 測定器用シリコン– バルク部が信号生成部、上部に分割/接続部
上部に回路を形成すれば一石二鳥• 課題– 民生用は高抵抗でない(空乏化しない)• HVCMOS, HRCMOSなど開発が進んでいる– バイアス電圧をかけると回路特性が変化• 電圧をかけないと速度が遅い– 歩留まり (大きなチップは実現例があまりない)

Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 94

Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 95

センサーの接続方法• ワイヤーボンディング– 金属細線を熱/超音波で微細なパッドに接続• 細かいピッチ(0.1 mm以下)に対応– 特殊な機器(wire bonder)が必要– 物理強度が低い(取扱注意)• バンプボンディング– センサーに金属のバンプを形成、熱により融着– ワイヤーより広いピッチだが、強度が高い• 導電性接着剤(常温硬化)– 熱をかける必要がない(圧をかける必要)– 均一に塗布する方法に工夫が必要
Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 96

読み出し技術(ASIC)• シリコンセンサーの読み出しには高性能アンプが必要– 高速、低ノイズ• 多チャンネルのため従来のディスクリート型アンプでの対応は困難(スペース・配線の問題)• 多チャンネルの読み出しに対応したLSIを開発する必要あり• Monolithicの場合はセンサーに統合されている– Pixelごとにデジタイズ機構がつく(CCD以外)
スペースに制限 (pixelが小さいと複雑なことができない)
process ruleを細かくすればよいが、値段UP

Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 97

読み出し回路の一例(SKIROC2)

Diagram of analog part of SKIROC2
Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 98

シリコンセンサー: まとめ• シリコンは荷電粒子のセンサーとして応用が広い (高い分解能、常温利用可、放射線耐性)• Monolithic or separate sensor– Monolithicは安くなるかもしれない (民生用)• ただし初期コスト(フォトマスク)が高いので小規模実験には向かない(大実験のものを流用は可能)• ノイズは小さいが、空乏層の厚みを取れない• 速度に課題– Separateタイプはお値段が課題• 技術は枯れている。チャンネルが増えると接続が困難• HPKが独占していて安くならない…

• 新技術に注目 (LGAD, SOI, 3D, …)Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 99

ガスTPC

ガス中で多数のイオン対を生成電場によりイオンがチェンバー内をドリフトして中央のカソードと両端のパッドに当たるパッド付近でガス増幅を行いたまった電荷を読み出す
ドリフトは低速なので読み出し時間からZ方向の位置が求められる
連続三次元再構成
が可能

Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 100

ガス増幅
MWPC

GEM (MPGD)

Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 101

カロリメータ
中性粒子の検出方法• 重い物質で荷電粒子に変換– シャワーが止まるまで大量の物質が必要• 荷電粒子を検出器で検出– 半導体、シンチレータ etc
重い物質 兼 光検出器 = 全吸収カロリメータ– 通常は重い無機結晶(NaI, CsI, BGO, etc.)を使う– エネルギー分解能は高いが値段も高い、分割は困難

重い物質と検出器を交互に配置=サンプリングカロリメータ– 鉛、鉄、タングステン板と板状検出器の組み合わせ– レイヤ数に分解能は依存、高分割可能、安い(検出器による)Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 102

シンチレータの原理• 荷電粒子の通過により物質内の電子が励起される• 電子が基底状態に戻るときに発光– 発光効率がよい物質を用いる– 可視光～紫外光 (O(eV)の励起エネルギー)

CsI(Tl) Belle
Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 103微弱光の検出• 発生した微弱光を高精度&高速光検出器で検出– 光電子増倍管(PMT)• ゲインが安定するが大きく、kVの印加電圧が必要• 大型化可能 (Super-Kの20インチ管は有名)– 半導体光検出器 (SiPM/MPPC)• 小型で性能がよい、磁場に強い、面積単価は高め

光電子増倍管MPPC (浜松ホトニクス)

Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 104

超伝導電磁石 (3.5 Tesla)
強力な磁場で荷電粒子を曲げる
カロリメータ
中性粒子の位置、エネルギーを測定
ガス検出器(TPC)
荷電粒子の運動量を正確に測定
電子

陽電子

ビームパイプ
シリコン崩壊点検出器・飛跡検出器
荷電粒子の位置を精密に測定する
衝突点

内側に荷電粒子の検出器、外側にカロリメータがある
得られた粒子の情報から元の反応を再構成していく
Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 105

崩壊点検出器 (vertex detector)
短寿命粒子の二次崩壊点検出
500 µm 40-300 µm• Bottom, charmハドロンなど
 衝突点近傍に高精細シリコン検出器を設置(求められる位置分解能: 数µm)
複数の測定器候補 … 微細ピクセル、低物質量、低発熱、高速、
放射線耐性…
Fine Pixel CCD

SOI detector

その他、
CMOS,
3D 等々

Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 106

飛跡検出器 (TPC)
大型ガスチェンバー
(半径1.5-1.8m)
荷電粒子による電離電子
を端部で増幅し検出
ドリフト時間から軸方向の位置も特定可能陽イオンがチェンバーに戻るのを防ぐ高開口部(>80%)のgating GEM
を開発
Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 107

カロリメータ高エネルギー粒子が重い物質に入射すると、シャワー(電磁シャワー、
ハドロンシャワー)を起こす
 シャワーの発展を4次元で測定  imaging calorimeter

電磁カロリメータとハドロンカロリメータに分かれている
様々なテクノロジが提案されている
Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 108

particle flow
ジェット中には多数の荷電粒子、中性粒子がいる (荷電粒子~60%, 光子~30%,中性ハドロン~10%)
カロリメータが微細分割されていればジェット中の各粒子のシャワーを分離できるtrackerの運動量(エネルギー)は非常に正確に決められるので統計に左右され分解能の悪いカロリメータは使いたくない※荷電粒子のほとんどはハドロン
 クラスタが分離されていれば荷電粒子由来のクラスタは使わず代わりに荷電粒子のエネルギーをジェットエネルギーに加算
ハドロンのカロリメータによる寄与を減らし分解能は大幅に向上
ただし微細分割カロリメータが必要
Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 109

電磁カロリメータ
タングステンとセンサーの多層カロリメータ (20-30層)
読み出し回路(ASIC, フロントエンド)をセンサーと吸収層の間に挟み込んでいる
合計107～8チャンネル

シリコンセンサー(浜松ホトニクス製)
日仏共同開発シンチレータ (日中独)

Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 110

ハドロンカロリメータ
シンチレータ
ガスRPC

Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 111

コライダーのデータ解析の流れ

Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 112

イベント生成• モデルからMatrix elementを計算– 標準理論、いろんなBSM理論– シグナル / バックグラウンドそれぞれ• Phase spaceを積分して微分断面積を計算– 4元運動量、偏極、各粒子• 断面積の分布に従ってランダムにイベント生成– ビームスペクトル、ISR/FSRを考慮• カラー粒子のハドロン化– 中寿命粒子(b,cハドロン)の崩壊– タウの崩壊は特別なコードを使う
Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 113

測定器シミュレーション• 生成した粒子を「測定器」内で発生させる– 衝突角(14 mrad), ビームスポット– 測定器中の物質との相互作用– 荷電粒子のionization, カロリメータでのシャワー等– 長寿命粒子の崩壊(K0など)• 各「測定器」へのenergy deposit→「ヒット」• Geant4 (高エネルギー汎用) ← DD4hep• 精緻な測定器モデル(dead region, ladder etc)
• 多量の計算機パワーが必要 (O(1分)/event)Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 114

再構成フレームワーク
DD4hep/DDsim

LCFIPlus

Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 115

最近の展開: 機械学習の応用
arXiv: 2101.11906• LCFIPlusの基本戦略(build-up法)を元にDNN化

1. 飛跡ペアを二次崩壊点、一次崩壊点、関係なし等に分類•

実際には二次/三次崩壊点、b-like/c-likeなどで7分類

2. 上記の分類スコアを元に「タネ」を決めてそれを初期状態としてLSTM-likeなRNNネットワークで各飛跡に対し「結合/非結合」を判定
高効率な崩壊点••

順序を重視しないカスタムセルを構築
Encoder-decoderモデルとAttentionを活用

検出を達成(mis-ID低減が必要)
崩壊点生成の為のネットワーク

N-1番目の崩壊点

N番目の崩壊点３

出力
２
崩壊点を更新繋がっているか判定

１

N番目の飛跡

新しい崩壊点を生成

RNNセルの構造
結合/非結合判定RNN
Tensorflow + Keras
Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 116
推論はC++で動作可、ILCフレームワークに組み込み可能

計算機資源: GRIDと今後• コライダーの解析(シミュレーション、データ処理、物理解析)には膨大な計算資源が必要– 世界の研究所の計算機に共通アクセスできる
Gridというシステムが使われている• 100万 CPUコア、1000ペタバイトのストレージ– ローカルのCPU@KEK等と組み合わせて使う• Gridはジョブ投入の手間や待機時間があり、大量ジョブ向き• 深層学習ではCPUよりGPUが必要になる。
今後計算機構成は変化する可能性も。
Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 117

ILC測定器: まとめ• 測定器は「物質と粒子の相互作用」により粒子を検出する– 荷電粒子: 電離、制動輻射– 光子: 電子陽電子対生成、コンプトン散乱 など• 最先端の測定器技術– 半導体センサー(シリコン)– 高速微弱光検出– ガス飛跡検出器 など• ILC測定器は国際協力で開発中• ソフトウェアの性能や計算資源も重要
Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 118

おまけ: ILCの情勢

Taikan Suehara, 高エネルギー加速器セミナー OHO’21, 7 Sep. 2021 page 119

ILCをめぐる状況
2020.7 ICFA (国際将来加速器委員会)により
ILC国際推進チーム(IDT)設立
 2021.6 IDTによるILC準備研究所提案
 4年間の準備期間を経て、建設(10年)へ
2030年代後半から実験開始

ILC建設に向けた本格的な進展前夜

コミュニティのサポート•

2017.9 高エネルギー物理学将来計画検討委員会の提言「衝突エネルギーを250GeVとする国際リニアコライダー(ILC) の日本国内での建設をただちに開始すべきである。」 (Hyper-Kの早期実現と並ぶ2大提言)• 高エネルギー物理学研究者会議ILC推進パネル (2020.10～)
国内の主要実験(Belle2, ATLAS)の主要研究者を含み、ILC実現のために
コミュニティを代表して活動中。 コミュニティ内、近隣分野との議論も活発化• 米国DoE, 国務省の各方面のサポート全面的な支持• ILC推進議員連盟• 地元自治体/産業界: 東北ILC事業推進センターなどなど• 産業界(全国): 先端加速器科学技術推進協議会(AAA)
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ILC国際推進チーム (IDT: 2020/8～)

2021年6月、ILC準備研究所提案書を発表
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ILC準備研究所

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国内のILC推進体制

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奥州市

東京メトロ

JR 一ノ関駅

盛岡

子供向けのILCの模型

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ILCグループ
国際会議LCWS2016@盛岡 (2016/12/5-9)
参加者 約300人

世界中の研究者が参加(ILD測定器グループ)

ILC日本グループ:
KEK(高エネ研)・東大・京大・東北大・九大・信州大・佐賀大・阪大・
岩手大・近畿大・広島大 ほか

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国際リニアコライダー計画 タイムライン
現在 2021年

2004

2020

• 国際設計• 政府検討• 現地設計• 地域準備

2022

8月～

移行期間
(1～1.5年)

ICFAの元、KEKをホストとして設置

準備研究所設置のための作業チーム

2019年秋~
米国政府がILCへの支持を明確化2016年〜日米2019年〜日独
2020年〜日独仏英

2035

2055

建設(10年) 運用・実験(20年)準備研究所 (Pre-lab)

ILC研究所設置

研究所間覚書 (MoU)で設置

ILC研究所＋将来拡張計画＋多目的化

政府間協定・条約等での設置・運用

ILC加速器の建設・運転
測定器決定・建設/運転サポート
アップグレードの研究・開発

加速器・施設最終設計
測定器EoI・LoI公募・審査
環境アセスメント等

各国研究所の合意(開発分担)
日本政府予算措置

政府間対話・議論

政産官学国際対話準備(4年)

準備研究所設置
＠KEK

国際推進チーム
(IDT)

日米・日欧
議員対話

2025

測定器グループ

測定器最終設計
EoI・LoI提出・TDR準備

測定器コラボレーション
測定器の建設・運転
物理解析

クリティカル・ディシジョン
主要パートナー国政府間にて国際分担合意して初めて実施できる

政府間折衝

政府間合意

政府間合意ができない場合、計画は建設実施前に停止される。
準備研究所の最新技術は参加機関で共有、有効活用される。

ILC中央研究所のスケッチ
ILCを中心とした、• 電子・陽電子ビーム活用• 加速器・測定器技術開発• 物理 (理論・実験) 研究• 将来計画のための開発・他実験への応用を含む総合的な研究所の建設を想定

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GeV worldSMが有効理論

Higgsは新物理の窓
湯川力
Fermionの質量生成

Higgsへの疑問• Naturalness• Composite Higgs?
• Multiple Higgs?

Electroweak
symmetry breaking
標準理論の最後の本質的要素

TeV worldSM相互作用はE-2で減少新物理が本質ヒッグス力
ヒッグス真空凝縮の直接的な証拠BSM(SUSY?)
Dark
Matter?

BaryonAsymmetry?

Neutrino
mass?
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7 Sep. 2021Inflation?
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131

ヒッグス結合定数の精密測定
標準理論：素粒子の質量はヒッグス結合定数に比例する

ヒッグス結合定数

新物理があると
ヒッグスと各粒子の結合定数が標準模型からずれることが多い(多くの新物理が複数のヒッグスを予言し、真空への凝縮度合いが変わる
ため)粒子の質量 (GeV)

新物理のエネルギーが高いほどずれは小さくなる
精密測定が必要

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ヒッグス結合定数の精密測定

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標準理論：素粒子の質量はヒッグス結合定数に比例する

ヒッグス結合定数

超対称性理論では
ヒッグス粒子が複数個ある
そのせいで線も複数になる

粒子の質量 (GeV)

h0, H0, A0, H±

ずれの大きさとパターンで新物理にせまる

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