素粒子構造研究部門

TCHoU 宇宙史研究センター2019年度活動報告
2020年3月24日
武内 勇司 (TCHoU 素粒子構造研究部門)

宇宙史研究における素粒子構造研究部門のプロジェクト
宇宙マイクロ波背景放射
ヒッグス精密研究
素粒子の質量の起源,真空の安定性など

超弦理論
時空の起源,力の起源

宇宙背景ニュートリノ探索
ビッグバン1秒後の姿に迫る
2

宇宙史研究における素粒子構造部門のプロジェクト• 陽子陽子衝突型加速器実験：ATLAS• CERN LHC加速器を用いた大規模国際共同実験• ヒッグス粒子の精密測定，標準模型を超える物理の探索など
受川史彦, 原和彦, 佐藤構二, 廣瀬茂輝*,金信弘 (筑波大), 池上陽一(KEKCA)*2020/3/16着任
大川英希→复旦大（中国）• 宇宙背景ニュートリノ崩壊探索: COBAND• 宇宙背景ニュートリノの崩壊光の検出，ニュートリノ寿命，ニュートリノの質量の絶対値決定• 筑波大TCHoUを中核とする国際共同研究
金信弘, 武内勇司, 飯田崇史 (筑波大), 吉田拓生(福井大 CA), S.B. Kim(SNU 海外unit PI), 松浦周二(関西学院大連携教員)• 超弦理論• 量子重力の理論• 時空の構造，基本相互作用および基本粒子すべてを記述する統一理論の有力候補
石橋延幸，伊敷吾郎(筑波大)，佐藤勇二(福井大連携教員)

素粒子構造研究部門 受賞⚫ 第１３回（２０１９年） 日本物理学会若手奨励賞 素粒子実験領域
本多俊介 （2018/3 博士課程修了）"Search for the Higgs Boson Produced in Association withTop Quarks and Decaying into Bottom Quarks
with the ATLAS Detector“ （博士論文、筑波大学、2018年）⚫ 金萬有 学術賞
2019年5月11日
金 信弘「2TeV陽子反陽子衝突実験CDFによるトップクォークの発見、Bc中間子の発見、およびBs中間子の粒子反粒子振動の初観測をはじめとする素粒子物理の研究」⚫

ヨーロッパ物理学会（EPS） 2019年 高エネルギー素粒子物理学賞
CDF 実験グループ （受川，武内，原，佐藤，金，吉田，S. B. Kim）
（D0 実験グループとともに）「トップクォークの発見とその性質の詳細な測定」
EPS HEP Prize : 過去の受賞者
2013 The ATLAS and CMS collaborations
2011 Sheldon Lee Glashow, John Iliopoulos, Luciano Maiani2007 Makoto Kobayashi, Toshihide Maskawa
2003 David J. Gross, H. David Politzer, Frank Wilczek
1999 Gerardus 't Hooft
1997 Robert Brout, Francois Englert, Peter W. Higgs
1993 Martinus J.G. Veltman

LHC実験
世界最高エネルギーでの加速器実験𝑠 ≤ 14 TeVでの陽子・陽子衝突
2010年
2011-12年
2012年
2015-18年
2021-23年
2026-3X年

LHC加速器稼動開始。
物理Run開始。 𝑠 =7 – 8 TeV, 25 fb-1のデータ取得
ATLAS/CMS両実験でヒッグス粒子を発見
エネルギーを 𝑠 = 13 TeVに上げてRun 2実験
Run 3． 𝑠 = 14 TeV , ～300 fb-1のデータセット
HL-LHC実験。～3000 fb-1の大データセット

CMS実験

現在

ATLAS実験

円周27km陽子を最大7 TeVまで加速して正面衝突

LHC長期計画の変更 (2019.11)

LS2を2か月長くRun 3を1年長く

HL-LHCの開始を1年延期

2019-2020のシャットダウン
LHC加速器と検出器のアップグレード
LHC加速器• 2021年からのRun3の準備➢ work on dipole magnets to bring up protonenergy (6.5 to 7 TeV)
• 2027年からのHL-LHCに向けた加速器➢ Replace Linac 2 with new Linac 4.
➢ Upgrade Booster injection.
➢ New RF system in SPS.

• インフラの整備(install new lifts, …)、メンテナンス(電磁石交換等)•ATLAS検出器– 高バックグラウンド環境に対応するため• 電子トリガー・エレクトロニクス– カロリーメータを細分化することでエネルギー測定精度を上げる。
• ミューオントリガー– 高ラピディティ領域に新しい検出器をインストール

CERN、現在のCOVID-19対応

Physics Analyses with Full Run 2 Data
Analyses of Full Run 2 Data (139 fb-1) with 𝑠 = 13 TeV continuing.

Update on Higgs couplings

Phys. Rev. D 101 (2020) 012002

Started to observe electroweak signatures which
include vector boson scattering processes

Physics Analyses with Full Run 2 Data (2)Limits on MSSM parametersfrom MSSM Higgs Searches

Plot to be updated very soon

Wide variety of Long-lived Particles
are searched forTsukuba Group Activities
Operation of SCT (silicon detector in medium layers)• Efficiency studies• Performance as a function of radiation dose
• Software development and maintenanceSilicon tracker upgrade for HL-LHC

Physics Analyses• Search for vector boson scattering process• Search for 𝐻 + → 𝑡𝑏
• Search for heavy long-lived neutral lepton

COBAND (COsmic BAckground Neutrino Decay)
宇宙背景ニュートリノ の ニュートリノ崩壊 探索
波長約50m(遠赤外線)の光として観測（𝜈3 の静止系で）現在の3寿命の下限値： 3～5x1012 年in𝜈2
𝜈1
𝜈3
𝜈2
𝜈3
𝜈3
𝜈1𝜈3𝜈1𝜈3𝜸𝜸
𝜈2COBAND (COsmic Background Neutrino Decay)
ニュートリノ崩壊は標準模型では，非常に厳しく抑制: 3寿命～1043年➔新物理に極めて敏感(例えば LRSMでは1017年まで短くなり得る)
宇宙背景ニュートリノ崩壊光の検出は，• ニュートリノ崩壊への新物理の寄与を検証• 宇宙背景ニュートリノの証拠• ニュートリノ質量の絶対値の決定
ロケット実験，およびその後に衛星実験を計画➔ 3 寿命として1013～1017 年の領域を探索➔ 超伝導体トンネル接合素子を用いた波長50m 域の一光子分光

2019.3～

COBAND遠赤外一光子検出のための超伝導体検出器の開発
ハフニウムを用いたSTJ光検出器の開発(KEK, IBSとの連携)
2019年度のハイライト：新素材 Hf-STJ (200m角)で55FeからのX線信号を観測
測定は，韓国IBS/CUPのグループと共同で，IBSにある ADR 装置を使用素子の製作は，ＫＥＫ先端計測器開発棟クリーンルームプロセス装置群を使用

X-ray spectrum by Hf-STJ
60

X線応答事象候補の波形

50Counts/50eV

40

σ /E=6.9%30963 eV FWHM
201000

時間 (us)

2000

4000

6000

8000

COBAND遠赤外一光子検出のための超伝導体検出器の開発
Nb/Al-STJ のSOI極低温増幅回路読出(AIST, KEK, JAXA等との連携)
2019年度のハイライト• 容量性負帰還をもつカレントミラー差動増幅回路による低入力インピーダンス電荷積分型SOI増幅器• Nb/Al-STJ からの青色単一光子に対する信号電荷が約3fCという予想に対して ＣＦＢ=300fFの増幅器でT=3Kでの入力換算雑音で 0.1fCを達成．
• 超伝導トンネル接合素子(STJ)光応答信号増幅の実証テストに成功するが，青色単一光子検出には至らず．

➔ STJ本体やSTJの電位測定のための配線容量を通して信号電荷が散逸が原因• 開ループ利得の更なる向上（負帰還回路時の低入力インピーダンス実現）が課題STJチップ
産総研
CRAVITY製

SOIチップ

光ファイバ

T=350mK

室温(a)，3K環境(b)におけるSOI電荷積分型増幅器の出力 (入力電荷0.49fC)

光学系，他（福井大，関西学院大との連携）•••

ロケット実験に向けた回折格子を含めた光学系の設計が進行中
回折格子を試作．福井大の遠赤外センターでの実測を行い，シミュレーションの信頼性を確認．
焦点位置で分光後の光をSTJ検出器へ集める集光用ホーン，STJ検出器表面の反射防止膜の設計に着手
試作回折格子の回折効率入射角依存性．
福井大の遠赤外分子レーザでの実測とシミュレーション

16

COBAND実験• ロケット実験に向けたNb/Al-STJ光応答の極低温ＳＯＩ増幅器読出

STJ素子

SOI素子

超伝導体(STJ)と半導体(SOI)の融合• 可視光１光子検出まであと一歩• 遠赤外１光子信号増幅用に高開ループゲインの増幅器の設計が必要• ロケット実験に向けた望遠鏡・分光光学系• ロケット搭載冷凍機： TCHoUと企業による試作機製作• ロケット実験のその他の開発要素：
STJ反射防止膜，長波長フィルター，校正用遠赤外線源
フロントエンドエレクトロニクス，DAQ，無線データ転送• 衛星実験に向けたHf-STJ開発：韓国IBS CUP (地下物理実験センター)での測定• 論文：2件，国際会議講演：3件（ポスター），国内学会：１２件

超弦理論◆ 弦の場の理論
point-likeString◆ 行列模型超弦理論の非摂動的定式化を与えていると予想される••重力の量子論全ての基本的相互作用と素粒子を統一的に記述する究極理論の有望な候補➔ 宇宙の始まりを記述できると期待される➔ 関連する分野に新鮮なアイデアを提供（余剰次元，ブレーン宇宙論，…）◆ ゲージ/重力対応➔ 超弦理論におけるブラックホールの性質が対応するゲージ理論によって計算できる．
閉弦Black holeD-brane
D-ブレーン（gauge theory）（ゲージ理論）

開弦超弦理論のより完全な定式化に向けて
超弦理論グループでは以下のテーマについて研究している（2019年度）
・弦の場の理論（石橋）

弦の場の理論
行列模型

ゲージ/重力対応

弦の第二量子化された理論。
弦の場の理論の古典解の解析により、非摂動的な物理の理解が得られる。
・ゲージ/重力対応（佐藤）超弦理論がゲージ場の理論により記述できるという予想。
証明できればゲージ理論によって超弦理論を非摂動的に記述できる。
・行列模型（伊敷）超弦理論の非摂動的定式化を与えていると予想される模型。

超弦理論
活動報告
(1)弦の場の理論, (2)行列模型, (3)ゲージ/重力対応という３つの関連するテーマを中心として研究を進めた。

201９年度の成果• 論文：３件，国際会議講演：２件，国内学会：３件– 弦の場の理論の磁場のある古典解の性質を調べた– 境界を持つ２次元重力理論において、相関関数の満たす新しい関係式を導いた– 弦理論の正則化（行列正則化）の性質を調べ、その一般化を与えた

活動計画：引き続き,超弦理論の非摂動的側面の解明,ゲージ理論・宇宙論への応用に向けて上記テーマの研究を進めていく•
具体的な研究課題•• 共形場理論におけるT T変形•• ゲージ/重力対応の数値的検証• 時空の漸近対称性と低エネルギー定理 •• 弦の場の理論と次元正則化•

弦の場の理論の古典解の研究
ゲージ/重力対応とグルーオン散乱振幅
弦理論の非幾何学的背景時空
行列模型における古典極限と幾何学の関係
行列模型を用いたM5ブレーンの記述