ビッグバン宇宙の極初期を高エネルギー粒子加速器で探る－質量起源のヒッグス粒子を探して－
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
科学講演 於 静岡県立沼津東高等学校
2009年11月7日● はじめに● 自発的対称性の破れと質量の起源● 高エネルギー陽子・反陽子衝突実験による質量起源のヒッグス粒子探索● 今後の展望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

2000年

17世紀半ば
古典力学

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

hh：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

Ψ ( x, t ) : 波動関数， h＝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。 粒子＝波動：不確定性原理

ΔpΔx ≥ h / 2 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。」
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。
t → t' = t
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 + p c2 42 2

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=m02v1− 2c(m0 ≠ 0の場合) ,m=pc(m0 = 0の場合)

素粒子物理学の歴史（１）〜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。

1900

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

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（２）
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(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）
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

ハドロン

陽子、中性子など

π中間子、K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、 空間一様性
ゲージ対称性 ＝ 局所ゲージ変換をしても運動法則が不変iθ ( x )Ψ ( x)
局所ゲージ変換： 波動関数 Ψ ( x) → Ψ ( x)' = ez 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・運動量逆向きの電子対)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。
2. ヒッグス機構で、ゲージ対称性が破れてヒッグス粒子が真空中に凝縮して、クォーク、レプトン、ゲージボソン（W, Z粒子）に質量を与えている。

新しい真空の概念

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）
2μ < 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

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

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

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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、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。

D0

CDF

Tevatron Ring

Main Injector

直径２ｋｍの加速器。
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

CDFMuon 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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
反陽子の中の反クォーク

トップクォーク● 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

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

トップクォークとWボソンの質量測定によるヒッグス粒子の質量の間接決定
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）

2008年夏 テバトロン実験 の結果：
トップクォークの質量: Mtop = 172.4 ± 1.2 GeV/c2
ヒッグス粒子の質量:114GeV/c2 < MHiggs < 185 GeV/c2

ヒッグス粒子探索についての記事（2000年9月)
2000年にCERN研究所（ジュネーブ）ＬＥＰ実験で質量115GeV/c2のヒッグス粒子の候補事象が見えた（95％信頼度）。
同時に114GeV/c2 以下のヒッグス粒子は存在しないことを示した。
フェルミ研究所テバトロン加速器を用いた陽子・反陽子衝突実験で現在ヒッグス粒子探索中。

テバトロン実験でのヒッグス粒子の直接探索
軽いヒッグス粒子 ( MH < 135GeV/c2)
陽子中のクォーク_bb

反陽子中の反クォーク

重いヒッグス粒子 ( MH

ヒッグス粒子> 135GeV/c2)

ボトムクォーク対

陽子中のグルオン
ヒッグス粒子

Ｗボソン対

W+W-

反陽子中のグルオン

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）

W

H+

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
X2.25

2010年末： 7 fb-1
•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超高エネルギー衝突実験の現状と計画
2000年 2005年
II
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

2010年
I

2015年
I

2020年
I

MH <180GeV/c2 ならばヒッグス粒子検出(95%信頼度)

MH=115GeV/c2 ?
(95%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。
2010年から本格実験開始。

実験目的：ヒッグス粒子の発見とその性質の研究、超対称性粒子の探索
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

7000ton

44m

ATLAS実験でのヒッグス粒子探索
ATLAS TDR1998

2013年頃のデータ量

信号の有意性発見！

ヒッグス粒子の質量

ヒッグス粒子の質量

Higgs粒子が存在すれば、質量１TeVまでの領域でLHC実験で必ず発見できる。

ＬＨＣ加速器で 陽子ビーム初周回に成功
2008年9月10日
ＬＨＣ加速器リングを陽子ビームが周回した。
その際にATLAS測定器で最初に観測された事象。陽子ビームがビームパイ プの中の残留ガスやビームを制御するためのコリメーターと衝突した際に発生する二次粒子が、ATLAS測定器を通過しながら反応して行く様子が観測された。

2009年11月加速器運転再開
2010年から本格実験開始。

今後の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

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。しかし、質量起源のヒッグス粒子は未だ発見されていない。
テバトロン実験とＬＨＣ実験のヒッグス粒子の探索競争により、近い将来ヒッグス粒子が発見される。
ヒッグス粒子の質量、崩壊分岐比、生成断面積などの基本的な性質を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かもしれない。

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

この講演のﾌｧｲﾙは以下のＵＲＬに置いてあります。
http://hep.px.tsukuba.ac.jp/~skim/precollege2009-CDF.pdf