CDF実験の歴史と初期の物理結果

CDF = Collider Detector at Fermilab
TCHoU セミナー
2022年 5月 27日 13:45〜
受川 史彦

標準理論における素粒子一覧

物質粒子
レプトン

ヒッグス粒子
質量の起源

相互作用を媒介

ゲージ粒子

クォーク

加速器実験： 重心系エネルギー

Collider とは？
ビーム・ビーム衝突型加速器
電子・陽電子陽子・反陽子
陽子・陽子

固定標的実験

ハドロン・ハドロン衝突実験

Fermi National Accelerator Laboratory
アメリカ合衆国
イリノイ州 Batavia
シカゴの西 約 50 km

Tevatron 加速器• 米国フェルミ国立加速器研究所 （Fermilab）
イリノイ州シカゴ郊外

••
•
•
•

陽子（・反陽子衝突型）加速器
ビームエネルギー 900  980 GeV
重心系エネルギー 1800  1960 GeV = 1.96 TeV
Tevatron collider は 1985年より稼動
実験 Run-II は 2001年に開始 （2011年9月に終了）

Inside the Tevatron tunnel

加速器チェーン
反陽子

陽子
MAIN INJECTOR
DØp,pbar:150GeVTEVATRON

ANTIPROTONSOURCE
p:8GeVp,pbar:980GeV

BOOSTER
p:8GeV

CDF

LINAC
H-:400MeVPROTONNEUTRINOMESON

COCK CROFTWALTON
H-:750keV

Wilson Hall 付近 （1999年）

Accumulator
Booster

Wilson Hall

CDF 付近 （1999年）

CDF assembly buildingRobert R. Wilson (1914 - 2000)
初代所長

西側の入り口Wilson Hall

Buffaloes

Canadian Geeseハドロン・ハドロン衝突反応の描像・記述

陽子内の parton 分布

陽子・反陽子衝突における種々の反応

素粒子反応： 断面積 cross sections√s とともに増加
特に重い粒子の生成
エネルギーが高いほうが有利日米科学技術協力事業•1970年代 日米貿易摩擦，オイル・ショック
エネルギー分野での日米連携の開始
高エネルギー物理学は，エネルギーを産み出すと思われた（通訳の誤解？）近藤都登先生日米伊CDF 中央部検出器(Run-I まで)

CDF Detector (Run-I まで)

座標系：
円筒座標系
ビーム軸： z （陽子）
動径 r， 角度 (x,y) 平面： “横方向”

yzx

ビーム軸を含む平面 (r,z) での断面図

 Solenoid
日本グループの貢献（初代検出器）• 肉薄超伝導ソレノイド• プラグ部電磁カロリメータ• シンチレータ，波長変換板
PMT• VTPC 読み出しエレキ¼ 部分 （第一象限）

1980年代前半

現地での日本グループ研究者
金先生

近藤先生

1.5-Tesla 肉薄 大径 超伝導ソレノイド

3m×5m

筑波大学（物理工学系・森茂樹先生）， 日立製作所

チャーター機で空輸， CDF 検出器の構造体に設置

Central Tracking Chamber CTC
荷電粒子の運動量測定
x-y 平面で円運動(磁場は z 方向)Example of tracking

B = 1.5 T, r < 1.4 m

82 points along
the path
Each point~200 m
Typicalmomentum
resolution :0.1%

Beams are perpendicular to the picture,collide at the center of the circles

カロリメータ• 電磁カロリメータ– 鉛/シンチレータのサンプリングカロリメータ• ハドロンカロリメータ– 鉄/シンチレータのサンプリングカロリメータ

測定するもの

μParticle ID at CDF

νMuon Chambers

種々の粒子の見え方

Hadron Calorimeter
EM CalorimeterπTracking Chambereγ
Fe

jet2ryVertex
Silicon Detector

Superconducting Solenoid

標準理論における素粒子一覧

物質粒子
レプトン

ヒッグス粒子
質量の起源

相互作用を媒介ゲージ粒子

クォーク  Û

¼

 ¿

Z0 の生成，崩壊 at CDFq

• クォーク・反クォーク 対消滅• Z0 の生成q• 崩壊，例えば 荷電レプトン対 へ再構成
• 終状態のレプトンを２つ捕まえる• 運動量/エネルギーの測定• レプトン対の質量を計算• 質量分布

２体崩壊であるので，親粒子の静止系で考えると：

Û 

`+
Z 0 =`;Z

μμ Events

ee and Z

Run 40578 Event27267
Et(METS)=4.5 GeV
Pt
Phi
Eta /
Phi = 157.9 Deg
37.5 311 0.86
Sum Et = 104.5 GeV-28.8 133 -0.53
1.2 295 1.04
-0.7 291 0.81
-0.6 207 1.28
0.5 169 -0.21-0.562 -0.80
0.4 116 0.170.343 1.48
0.3 226 0.88

16SEP92 14:00:13 25-FEB-95 Run 40578 Event27267

16SEP92 14:00:13 25-FEB-95

UON: ETEM/ETTOT/ORG/NTW/PTDAIS E transverse Eta-Phi LEGO Plot
Max tower E= 40.9 Min tower E= 0.50 N clusters=
METS: Etotal = 325.2 GeV, Et(scalar)= 104.5 GeEt(miss)= 4.5 at Phi= 157.9 Deg.
Emax =e60.2 GeVe40.9

Hit & to refresh
CMX east
CMX west

PHI:

311.

ETA:0.86

ET ≅ 44 and 36 GeV
Run 40413 Event10075

Run 40413 Event10075
shima.data.dimuon_1a]temp.pad
7SEP92 23:12:05 25-FEB-95
Et(METS)=
3.5 GeVPt
Phi
Eta /Phi = 49.1 Deg
49.8 124 0.28
Sum Et = 45.7 GeV-32.3 307 0.30
1.2 181 -0.77-0.9 246 -1.60-0.9 275 -0.45-0.8 283 -0.98-0.7 289 -0.52
0.5 130 -1.05
Emax =
1.9 GeV
0.5 203 1.68
0.587 -0.97
0.4 301 0.57
0.4
43 -0.61
0.4 177 -0.95-0.4 335 0.54
0.4 253 1.26-0.4 325 1.21-0.4 211 1.16
0.3 266 0.00
0.3 268 -0.12
0.3 324 1.07

shima.data.dimuon_1a]temp.pad

PHI:

311.

ETA:

0.86

7SEP92 23:12:05 25-FEB-95

UON: ETEM/ETTOT/ORG/NTW/PTDAIS E transverse Eta-Phi LEGO Plot
0.0/ 0.5/UON/ 3/ 6Max tower E= 2.4 Min tower E= 0.50 N clusters=
0.0/ 1.0/UON/ 3/-7
METS: Etotal = 380.8 GeV, Et(scalar)= 45.7 GeEt(miss)= 3.5 at Phi= 49.1 Deg.

μ2.4μ
Hit & to refresh
CMX east
CMX west

Run 40323 Event34043

PHI:

124.

ETA:

0.28

_Z0.ANA]CENT_ZS_ELE_CLEAN.DSTPT ≅ 50 and 32 GeV

PHI:

124.

ETA:

0.28

4SEP92 17:56:54 11-OCT-99

DAIS E transverse Eta-Phi LEGO Plot
Max tower E= 51.4 Min tower E= 0.50

N clusters=

METS: Etotal = 281.5 GeV,Et(scalar)= 84.8 GeEt(miss)=
3.5 at Phi= 352.8 Deg.

51.4

Run 40323 Event34043

YPhototubes

PHI:
ETA:
LightGuides
Right_Z0.ANA]CENT_ZS_ELE_CLEAN.DST

4SEP92 17:56:54 11-OCT-99* WEST Wedge 3 Max Tower =39.0392 GeV ** CEMD * AMP x16, x1 LEFT towers 0 - 90000 1469 65535 1582
000000 1030 7957 104200* CEMD * AMP x16, x1 RIGHT towers 0 - 90000 1279 65535 1477 1057
00000 1018 6986 1036
00* CHAD * AMP x16, x1 LEFT towers 0 - 755.
0000 1000 1000 1000 1000
0000 1020 1237
00-0.60* CHAD * AMP x16, x1 RIGHT towers 0 - 700000 1000
0000000 1224
0000000 13263
00 CHA TDC

0000Left

Wave Shifter
Sheets0X

1234Lead
Scintillator
Sandwich

56789Towers

StripChamber
ZMin and Max(Channel =Min and Max(Channel =Min and Max(Channel =74) Str GeV51) Wir GeV24) Pre fC

0.000 9.562
0.000 10.049
0.00 4393.51(=8 MIPS)

PHI:

55.

ETA:

-0.60

Z0 の再構成， 質量の測定

エネルギー測定から運動量測定から電子の運動量と比較し，エネルギーを較正検出器の較正が重要実データを利用する
calibration in situ
既知の粒子を用いて，運動量を較正既知の粒子の信号

Z0 の再構成， 質量の測定
1989 年当時の精密測定

それ以前の精度： 1.5 GeV 程度

その時の競争相手：
SLAC SLC の Mark II 実験

ud

W+W+

ff0

割合（およそ）： 1 1 1 3 3

ビーム軸：z とするTransverse: x-y 平面始状態： px = py = 0
終状態： px = py = 0 のはず1987 : 25 nb-1

Measuring the W mass

1988-89 : 〜 4 pb-1

Ｗ ボソンの質量を測定する意義•••

標準理論の粒子の質量はパラメータ： 実験的に決定する必要あり
標準理論では，W ボソンの質量はヒッグス場による量子効果により，粒子間の質量が制限される

Marciano and Sirlin, 1980
Barger, Hewett, Rizzo, 1990

1990年ころの状況••

Z ボソンの精密測定（LEP）
Top quark は未発見
• 直接探索： W ボソンより重い• 間接測定： 矛盾しない，きわめて重い

横軸： Top quark 質量
縦軸： W ボソン 質量

Barger, Hewett, Rizzo, 1990

Ｎａｓｏｎ， Ｄａｗｓｏｎ， Ｅｌｌｉｓ例えば例えばならならTop quark 対 候補事象

Lepton + jets channel

Top quark 対 候補事象 その２

Top quark 生成の証拠
1994

Di-lepton channel

Top quark 発見後しばらくしてヒッグスは軽いようだ

Higgs 粒子の発見
2012

Higgs 粒子の発見後
tW

hW Wb
ΔMW α MT2?
W WW
ΔMW α ln MH

2014

おしまい0?
New Physics

W

W, Z

電子・陽電子衝突：反応断面積
点電荷同士の衝突：エネルギーとともに減少

LEP I 1989
LEP II 1995

重心系エネルギー √sCentral Electromagnetic Calorimeter CEM
YPhototubes

LightGuides
Right

Left

Wave Shifter
Sheets01234

Lead
Scintillator
Sandwich
789ersStrip
ChamberTow

シンチレータ，WLS
PMT
日本で製造

56ZX

素粒子の標準理論• 物質粒子 6 quarks and 6 leptons• 相互作用 4 種類 （ゲージ粒子）
強い相互作用，電磁相互作用，弱い相互作用，重力 基本粒子と相互作用の研究• ゲージ相互作用である：
gluon g,photon ,

W± / Z0,graviton (?)• SU(3) xSU(2) x U(1)color weak isospin weak hypercharge
QCDweak + electromagnetic

粒子検出に用いられる技術（例）プラスチックシンチレータ

光電子増倍管

荷電粒子の通過に伴い微弱な光を出す

微弱な光を電気信号に変換する。
左のシンチレータと組み合わせて荷電粒子をとらえる。

ワイヤーチェンバー

荷電粒子の通過した位置を数十ミクロン間隔で埋め込まれた電極により測定
シリコンマイクロストリップセンサ

荷電粒子が通ると充満されているガスが電離してワイヤーに信号を残す

Another component is being installed

The 1200-ton detector ismoving to the accelerator
collision point