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未知への挑戦 ~ 極限宇宙と新しい物理

Belle II 実験 ~電子-陽電子加速器が教える
新しい素粒子の世界
樋口岳雄

東京大学
カブリ数物連携宇宙研究機構

2020 年 8 月 8 日

ICRR IPMU 合同一般講演

2

自己紹介
1997 年頃より加速器を使った素粒子物理学実験
Belle (ベルと読みます) に参加しています。
たのしさを演出する写真集

2018 年に始まった、Belle の後継実験である
Belle II (ベル・ツーと読みます) にも参加しています。

2012 年より大学の「柏キャンパス」で研究をしています。
手賀沼の花火大会が見えるところに住んでいます。

かしわ好きです3

加速器を使った素粒子物理学実験

たのしい

写真: KEK

はやい
おおきい
かっこいい

物理学
モノとモノとの間に働く力の普遍的な仕組みを解明する学問

ビッグバン
陽子・中性子の元となる生の素粒子が漂う世界

原子核形成

図表: Particle Data Group, LBNL

陽子・中性子形成4原子・分子などの形成

いま

0.0001 秒 100 秒 38 万年 138 億年!$%!& #!$%' #!#!$' #!$*+ #!$() #(対数ものさし)

素粒子

原子核

ウイルス

いのしし

土星までの距離

宇宙の半径

イラスト: ひっぐすたん他

宇宙の 138 億年間の歴史にわたり、!"#!$ % から !"&' % まで
45 桁も違う大きさのモノを等しく取り扱える理論を作る学問

素粒子物理学
ビッグバン
陽子・中性子の元となる生の素粒子が漂う世界

原子核形成

とくにこの辺に切り込む学問

図表: Particle Data Group, LBNL

陽子・中性子形成

5原子・分子などの形成

いま

0.0001 秒 100 秒 38 万年 138 億年!$%!& #!$%' #!#!$' #!$*+ #!$() #(対数ものさし)

素粒子

原子核

ウイルス

いのしし

土星までの距離宇宙の半径イラスト: ひっぐすたん他…だが、もうだいぶ理解が進んでしまった。
もったいぶらずにいきなり答合わせをする。

6

素粒子標準理論 (いきなり答合わせ)
素粒子表

クォーク: 6 種類

陽子や中性子を構成する粒子。

レプトン: 6 種類

電子は素粒子で、このグループ。ニュートリノもここ。

ゲージボゾン: 4 種類

力の伝搬を仲立ちする粒子。
光の粒子はこのグループ。

ヒッグスボゾン: 1 種類

粒子に質量を与える仕組みを支える粒子。

7粒子-反粒子

反粒子: 通常の粒子と同じ重さで電気の量だけが反転した粒子

イラスト: ひっぐすたん

電気 = +$

電気 = −"%%

電気 = −"

電気 = −$

電気 = +"%%

電気 = +"

8

小林-益川理論とBelle 実験の歴史

1973

小林-益川理論: 小林先生・益川先生が 5 番目のクォークの性質はその反粒子のものと違うとする小林-益川理論を提唱する。
反粒子: 通常の粒子と同じ重さで電気の量だけが反転した粒子 (例: 電子↔陽電子)

写真: KEK

1988

Belle 実験の提案: 三田先生や相原先生が、小林-益川理論の後半を検証する実験を提案する。
本当に 5 番目のクォークは、その反粒子と性質が違うのか ?

1999

Belle 実験が始まる

写真: 名古屋大学

写真: 東京大学

9Belle II 実験 (1999 年~2010 年)

写真: KEK

5 番目のクォークとその反粒子の性質の違いを検証する実験
5 番目のクォークとその反粒子を量産する装置
1 周 3km の超大型装置

KEKB 加速器作られた 5 番目のクォークとその反粒子の性質の違いを測定する装置

Belle 測定器

電子陽電子

10

Belle II 実験建設の記録

写真: KEK

5 番目のクォークとその反粒子の性質の違いを検証する実験

粒子位置検出器
加速器の建設粒子種類の識別装置

運動量測定装置

エネルギー測定装置

11

粒子-反粒子の性質の違いを調べる
5 番目のクォークとその反粒子の性質の違いを検証する実験• + が 0 と同じ … クォークとその反粒子の性質は同じ• + は 0 ではない … クォークとその反粒子の性質は違う「性質の違い」を ! という数量で表す

小林-益川
理論の予想

答はどっちだ ?!
夏の国際学会で結果を公表する
ため、力の限りみんなで頑張る。

! の測定結果を発表 (2001 年 7 月 18 日)

この高さが ! に相当! = +$. && ± $. () ± $. $*誤差を考えても + は 0 ではない → 性質は違う
横軸はクォークの時間発展 (説明省略)

12

Party! Party! Party!

Belle 実験が貯めたデータ量

夏合宿みたいで楽しいけれど
いつもこんなでは疲れちゃう

データ量 100 単位ごとにパーティー!

13

素粒子標準理論の完成と…

2000 年DONUT 実験 !" を発見
62001 年
小林-益川理論完成

素粒子標準理論 (いきなり答合わせ)
素粒子表

クォーク: 6 種類陽子や中性子を構成する粒子。

レプトン: 6 種類

電子は素粒子で、このグループ。ニュートリノもここ。

ゲージボゾン: 4 種類

力の伝搬を仲立ちする粒子。
光の粒子はこのグループ。

ヒッグスボゾン: 1 種類

粒子に質量を与える仕組みを支える粒子。

写真: KEK,
Maximilien Brice/CERN

2013 年 LHC 実験
ヒッグス粒子を確認だがしかし…

• 暗黒物質が素粒子表にないのはなぜか• 粒子と反粒子の差の真の由来はなにか• …

宇宙の出来事をすべてを説明するには素粒子標準理論だけでは力不足。
素粒子標準理論を超える新理論を探せ

素粒子研究はまだ全然終わってない14

標準理論 vs. 新理論

私たちがよく知る素粒子の世界

未発見の新理論の世界

標準理論の素粒子表

どれかが暗黒物質粒子？

新理論の素粒子表 (未発見)

?

重さは未詳
(陽子の数百倍以上？)

ここのつながりも不明。

15

粒子-反粒子の性質の違いを調べる
5 番目のクォークとその反粒子の性質の違いを検証する実験• + が 0 と同じ … クォークとその反粒子の性質は同じ• + は 0 ではない … クォークとその反粒子の性質は違う「性質の違い」を ! という数量で表す

小林-益川
後半の予想

答はどっちだ ?!
夏の国際学会で結果を公表する
ため、力の限りみんなで頑張る。

! の測定結果を発表 (2001 年 7 月 18 日)

この高さが ! に相当! = +$. && ± $. () ± $. $*誤差を考えても + は 0 ではない → 性質は違う
横軸はクォークの時間発展 (説明省略)

16

新理論のあぶり出し

変化の様式

標準理論

新理論

① " → $$% &とても影響を受ける

あっても影響はほぼない(② " → &''

とても影響を受ける

あれば影響を受けるかも① " → $%$& (データ量 ~29 単位)
標準理論の検証 (2001 年)
標準理論の検証なので、新理論の影響を標準理論の検証なので、新物理の影響を受けないようなクォークの変化様式を使った受けにくいクォークの変化様式を使った② " → &'(' (データ量 ~78 単位)
新理論発見への挑戦 (2002 年)

標準理論の指紋を基準に、こんどは新理論の影響を受けやすい様式の指紋を調べた

反転してる
新理論？

( (データ量 ~140 単位)② " → &''
新理論発見への挑戦 (2003 年)

念のためデータを増やして再確認

確かに反転してる
新理論に違いない

この高さが ! に相当

標準理

指論の紋

新理論のあぶり出し② ! → %&'& (データ量 ~657 単位)
新理論発見への挑戦 (2010 年)

変化の様式

標準理論

新理論

Belle 実験のほぼ全データで最終確認① ! → ##$ %とても影響を受ける

あっても影響はほぼない'② ! → %&&

とても影響を受ける

あれば影響を受けるかも17① ! → #$#% (データ量 ~29 単位)標準理論の検証 (2001 年)
標準理論の検証なので、新理論の影響を受けにくいクォークの変化様式を使った
この高さが ( に相当

標準理

指論の紋

新理論消えた…

新理論にたどり
着くにはデータが足りない18

Belle から Belle II へ
もっとデータを集められるように実験を改良しよう
Belle 実験
KEKB 加速器
Belle 測定器

新理論にたどり
着くにはデータが足りない→→→

Belle II 実験
SuperKEKB 加速器
Belle II 測定器• KEKB の 40 倍の早さで素粒子反応を提供できる加速器を造る
頑張る• 約 10 年の運転で Belle 実験の 50 倍のデータを貯める
J. Particle Accelerator Society of Japan, 4, 252 (2011).

19

Belle, Belle II
Belle や Belle II 実験が詳しく調べる「5 番目のクォーク」はbeauty クォークと呼ばれることがあります。
Beauty をフランス語の Belle と訳したのがBelle や Belle II 実験の名前の由来です。
また、電子と陽電子を衝突させて beauty クォークを作ることから(後述)B = electron (電子) + nortcele (電子の逆綴り)というシャレにもなっています。

=

さらに、実験のロゴも e と e の逆写しが衝突して B ができています。

20

加速器 = 初期宇宙生成器

高速粒子の衝突によってビッグバン直後の超高熱な初期宇宙の素粒子反応を再現
ぶつける粒子は実験の目的に応じて決める

写真: KEK, Maximilien Brice (CERN)
イラスト: ひっぐすたん

電子・陽電子をぶつける
SuperKEKB 加速器 (日本)
陽子同士をぶつける
LHC 加速器 (欧州)SuperKEKB 加速器 (日本)
電子・陽電子衝突, 周長 3km, 2016 年~

LHC 加速器 (欧州)
陽子・陽子衝突, 周長 27km, 2009 年~• 1 秒あたり世界で最もたくさん初期宇宙を作れる (たくさんデータを作れる) 。
• 新理論の素粒子がかかわる素粒子反応の様子を精密に調べるのが得意。

• 宇宙開闢後 10#$% 秒くらいまで遡れる(最も高いエネルギーを実現できる)。
• 未知の素粒子を人工的に作る試みをし、その存在の有無を確認するのが得意。

21

SuperKEKB 加速器• 初期宇宙を何回も作る
電子

Belle II 測定器@ 衝突点 = 初期宇宙生成点

陽電子

はやい

おおきい

かっこいい

写真・イラスト: KEK

22

線形加速部 (400m)

写真: KEK

ぶつけるための電子・陽電子を光速の 99.999999% 以上に加速する装置

23

周回軌道部 (1 周 3km)

写真: KEK

電子

陽電子

加速した粒子の速さを維持する装置

24

粒子の衝突点 (初期宇宙生成点)

陽電子

写真: KEK電子

Belle II 測定器

25Belle II 測定器• 初期宇宙のふるまいを調べる

写真: KEK

はやい

おおきい

かっこいい

Belle II は、26 の国と地域から、1,000 人以上の研究者・学生が参加する大きな実験。

26

Belle II 測定器のサイズ感

動画: KEK; https://www.youtube.com/watch?v=NQ9KINzWBNg

Belle II 測定器は Amazon で売っていないので自分たちでイチから作るしかない (売ってたら迷わず買う)。

27

たとえば粒子の速さを調べる装置

ワイヤー張りワイヤー 56,000 本

カバーをかけて海苔巻

衝突点まで輸送吊り上げ

インストール

写真: Belle II28

たとえば粒子の種類を調べる装置

特殊な輻射体輻射光の検出器

光検出面に並んだ光検出器

写真: Belle II

光検出器の取り付け

輻射体と光検出面の合体

インストール

29

たとえば粒子の位置を調べる装置(半分以上を IPMU の実験室で製作) 写真: Belle II
半円筒外側全円筒に組み上げ

インストール30

9 年の準備を経て本格運転が始まる
2019 年 3 月 25 日、加速器のデータを測定器が測定実験が本格的に始まる
Belle II 実験の制御室で喜びあう研究者たち(2019 年 3 月 25 日 19:44 頃)

写真・画像: Belle II

記録された「初期宇宙」事象 (測定器の輪切り)

31

国際会議

•

素粒子・原子核関連の研究で有名な夏の国際会議にはLepton-Photon と ICHEP があります。奇数年の夏にLepton-Photon が、偶数年の夏に ICHEP が開かれます。

•

先週の月曜日から一昨日まで ICHEP 2020 が開かれていて、実験・理論のさまざまな研究グループから最新の結果が報告されていました。

ソウルで開かれた ICHEP 2018 の記念写真
参加登録者数は 1,160 人

32

Belle II 助走中の世の中のできごと

ヒッグス粒子の確認が報告される

Higgs 先生にノーベル物理学賞 (2013 年)

国際会議 Moriond QCD 2013 にて
ATLAS と CMS の両実験が独立に報告

写真: Nobel Media(2013 年 3 月 14 日)

国際会議 ICHEP 2020 にて
ATLAS と CMS の両実験が独立に報告(先週から今週にかけて)#結びつきの度合い !" %$ or !& %'標準理論の予想通り、軽い素粒子ほど、ヒッグス粒子との結びつきの度合いが弱くなる様子が見える。

#

Proc. of the Rencontres de Moriond,
QCD and high energy interactions (2013)

ヒッグス粒子の性質の理解が進む

素粒子の質量 [GeV]33

Belle II 助走中の世の中のできごと

新理論の素粒子が見つからない
国際会議 ICHEP 2020 にて
ATLAS と CMS の両実験が独立に報告$̃ #% という新粒子の質量 [GeV](先週から今週にかけて)でも変な現象はちらほら見えている
国際会議 ICHEP 2020 にて LHCb 実験が再録

例(先週から今週にかけて)「電子の性質を示す数量」と「ミュー粒子の性質を示す数量」の比率
Phys. Rev.
Lett. 122,191801 (2019).

標準理論
は比率を
1 と予想
"#̃ という新粒子の質量 [GeV]

新粒子を探したけれど色のついている領域内に新粒子はいなかった。新粒子を見つけたければ、もっと右上の方 (もっと重い方)を調べなさいという結果。

1 ではない...のかな？
1%.%#2&' = 0.8461%.%2%.%.%/0 .%.%#0

新理論？

新理論にたどり着くにはデータが足りない34

Belle II 実験も徐々に結果を報告

新粒子 !’ の探索

2001年の結果の再現

縦軸: その重さの粒子の個数

I. Adachi et al. (Belle II Collaboration), Phys.
Rev. Lett. 124, 141801 (2020).

国際会議 ICHEP
2020 にて発表

Belle II 測定器の性能確認を兼ねて
11

粒子-反粒子の性質の違いを調べる
5 番目のクォークとその反粒子の性質の違いを検証する実験• + が 0 と同じ … クォークとその反粒子の性質は同じ• + は 0 ではない … クォークとその反粒子の性質は違う「性質の違い」を ! という数量で表す

小林-益川
理論の予想

答はどっちだ ?!
夏の国際学会で結果を公表する
ため、力の限りみんなで頑張る。

! の測定結果を発表 (2001 年 7 月 18 日)

この高さが ! に相当! = +$. && ± $. () ± $. $*誤差を考えても + は 0 ではない → 性質は違う
横軸はクォークの時間発展 (説明省略)

横軸: !′ の質量 [GeV/$ % ]色の部分は、実験技術の限界のせいで、
年
実験' の値違うのに !′ だと思ってしまう個数の予想。
2001 Belle+). ++ ± ). -. ± ). )/(バックグラウンドという)現在の世界平均 +). /+- ± ). )-0

残念ながらバックグラウンドを上回る数の ! & 粒子は見つからなかった 2020

Belle II+). 11 ± ). 2- ± ). ).

!

35超精密測定による新理論探索

変化の様式

標準理論

新理論

① ! → ##$ %とても影響を受ける

あっても影響はほぼない')'③② !! →→ (%&(&とても影響を受ける

あっても影響あれば影響を受けるかもはほぼない④ ! → #ℓ'+

とても影響を受ける

あっても影響はほぼない⑤ ! → (ℓ'+とても影響を受ける

あっても影響はほぼない⑥ ! → ($#%

とても影響を受ける

あっても影響はほぼない⑦ mixing

とても影響を受ける

あっても影響はほぼない

新理論の影響を受けにくい変化の様式をあえて選び、それぞれを超精密に測定する。
標準理論とのかすかな食い違いが少しずつ積み重なって、くっきりとした違いが浮かび上がる知れない。

日本の得意分野である超精密測定+
SupeKEKB 加速器が作る大量の初期宇宙データ
॥
新理論発見へ
IPMU などで準備中36

Belle II 実験のこれからSuperKEKB 加速器は、「初期宇宙生成能力」の世界記録を更新した。

Belle II 実験は、今後、Belle 実験の最大 50 倍になるデータを駆使して新理論の探索に挑む。
50,000 単位
1,000 単位新理論にたどり着くにはデータが足りない

Belle 実験が約 10 年間に貯めたデータ

大量のデータで新理論にたどり着く

Belle II 実験が今後約 10 年に貯めるデータ
10 年後に結果をまとめて報告するのではなく、データが増えたらどんどん結果を報告する。

37

まとめ
① 小林-益川理論の確立やヒッグス粒子の発見などによって素粒子標準理論が完成した。
② 素粒子標準理論は素晴らしい理論だが限界もある。
③ その限界を乗り越えるため、素粒子標準理論自体を足場として新しい理論の探索が進んでいる。けれども、新理論はなかなか正体を現さない。
④ 大量のデータを特長とする日本の Belle II 実験が、新理論発見の研究についに参入した。エキサイティングな結果はもうすぐ。

これからもどうぞよろしくお願いいたします