CiRfSE 宇宙史国際研究拠点

素粒子構造部門
2016 成果報告

CiRfSEワークショップ
2017年1月24日

筑波大学・数理物質系・物理学域

宇宙史国際研究拠点
素粒子構造部門

受川史彦

素粒子構造部門の研究・構成員
赤字： 2016年度より• 陽子陽子衝突実験 ATLAS
欧州 CERN 研究所 LHC 加速器
大規模な国際共同実験
ヒッグス粒子精査，新物理探索など
HL-LHC に向けたシリコン検出器開発
受川，原，佐藤構，大川（国際TT助教）
池上（KEK, クロスアポイントメント教員，2016/12 - ）• 宇宙背景ニュートリノの崩壊探索
ニュートリノ質量の決定，質量起源・階層性の解明，宇宙論の検証
筑波大学グループを主とする国際チームによる研究
武内，金，S. B. Kim (海外教育研究ユニット招致 PI，ソウル国立大，2016/7 - ）吉田拓生（福井大，クロスアポイントメント教員，2016/10 - ）• 超弦理論の研究
重力の量子場の理論
４つの力の統一石橋，佐藤勇，伊敷LHC 加速器 と ATLAS 実験
2008年9月に初のビームが周回2009年11月
実験開始
2011・2012年
本格運転，データ収集

ATLAS 実験38 ヶ国， 176 機関~3000 人
日本 : 16 機関， ~110 人

ヒッグス粒子発見

2012年夏： 125 GeV 付近に新粒子を発見
2013年夏： ある種のヒッグス粒子であることが確定

標準理論の素粒子をすべて実験的に確認

素粒子標準理論は非常にうまくできた理論だが究極の理論だと思っている人はいない

ヒッグスを手掛かりに未知の領域へ素粒子構造部門 2016
 LHC-ATLAS 実験 陽子陽子衝突 CERN 研究所••••

Run-2実験継続 （2015 - ）重心系エネルギー 13 TeV
積分輝度 ~ 45 fb-1
瞬間輝度 1.4×1034 cm-2 s-1

ヒッグス粒子の精査
新物理の探索 ： 新粒子  Z Z？

他に：t t H 過程
H  b b-bar
不可視粒子への崩壊や重いヒッグスの探索

CiRfSE 素粒子構造部門 / 筑波大学 の寄与・成果••••

質量 700 GeV/c2 付近に excess?
有意度 2 σ 程度，要確認

ATLAS 実験

国際テニュアトラック助教 大川英希 （CERN 研究所 常駐）
ヒッグス粒子の精査・新物理の探索
CiRfSE
物理解析・博士論文
若手教員
木内健司 2015年3月修了
ヒッグス  ボトム・クォーク対
渕 遼亮 2016年3月修了
ヒッグス対生成の探索
永田和樹 2017年1月修了
荷電ヒッグス粒子探索佐藤伊藤史哲 近く提出予定
ヒッグス  ボトム・クォーク対
笠原宏太 2017年3月修了予定
重いヒッグス等の探索
大川
萩原睦人 D2
荷電ヒッグス粒子探索佐藤本多俊介 D2
ttH
検出器運転
現行 SCT 検出器の運転，データ品質チェック
大川，伊藤，萩原，本多，原，佐藤
検出器増強
岩渕周平 M2
ストリップ検出器
佐藤和之 M2
ピクセル検出器
鈴木淳貴 M1
ピクセル検出器
和田 冴 B4LGAD

ATLAS 実験 物理論文（査読あり，公表済み）2014年 103 篇，2015年 110 篇，2016+2017年 124+5 篇
検出器開発
論文
2014年度 2篇， 2015年度 1篇
国際会議発表2014年度 2件， 2015年度 1件
学会発表
2014年度 2件， 2015年度 3件， 2016年度 2件

ヒッグス粒子は物質粒子と結合するか？

重い荷電ヒッグス粒子の探索

ゲージ粒子物質粒子

生成断面積上限値を設定

木内 2015/3 修了
塙 2013/3 修了

永田 2017/1 修了
萩原 Run-2 データ解析中本多伊藤

Z ボソン＋消失運動量からなる終状態を用いた新物理探索
重いヒッグス粒子  Z Z

生成断面積上限値を設定

笠原 2017/3 修了予定

ATLAS 実験の現在・今後• ヒッグス粒子の精査 さまざまな性質の精密測定
 標準理論の予言する粒子？
 あるいは，似て非なるもの？
 自己結合唯一無二複数のうちのひとつ？
真空の相転移• 標準理論を超える新粒子・新現象の直接探索
 超対称性？
 余剰次元？ ブラックホール？
 暗黒物質粒子？

• より高い衝突エネルギー
2015年～

8 TeV  13/14 TeV• 高統計のデータ
2026年～2030年代

加速器増強(HL-LHC)
瞬間輝度 10倍
データ量 Run-1 の >100 倍
データ量の増大→ 解析手法・計算機環境
高輝度環境への対応 → 新型シリコン飛跡検出器
拠点・センターを超えた連携 （KEKなど）

物理解析：
検出器増強：

LHC加速器の長期計画
瞬間輝度の設計値を達成

ビームエネルギーの設計値a13 TeV, 4 fb-1
~ 40 fb-1 in 2016

Higgs
Discovery

Phase-I Upgrade
Phase-II Upgrade (HL-LHC)•••

2015-2018年に 150 fb-1 (Run 2)
2021-2023年に 300 fb-1 (Run 3)
2030年代半ばに 3000 fb-1 (実験計画 to be approved)• Run1(2011-2012)： 25 fb-1 ヒッグス粒子発見： 11 fb-1ATLAS 実験 内部飛跡検出器 増強 (HL-LHC, ~2026)
加速器の高輝度環境への対応→ 新型シリコン飛跡検出器の開発
高放射線耐性，細分化

増強案

現行の検出器現行TRT 部分も含めすべて半導体検出器に• ストリップ検出器• ピクセル検出器
現行 SCT Barrel

午後の講演
池上，岩渕，佐藤和，和田，大川

素粒子構造部門： ニュートリノ研究
ニュートリノ：
例えば，中性子の β 崩壊において生成される

 物質粒子のひとつ
 電荷を持たない 弱い相互作用のみ行う
長いこと質量が零であると思われてきたが，2000年前後にニュートリノ振動現象が確立→ 小さいながら，零でない質量を持つ
2015年ノーベル物理学賞の対象
 他の物質粒子と比べても格段に軽い
なぜ？ 特別な理由がある？
 質量が零でないことは判ったが，その絶対値は測定されていない

ヒッグス粒子とともに，素粒子の質量起源の解明のカギを握る

宇宙背景ニュートリノ崩壊探索
 素粒子の質量がなぜ１１桁以上違うのか？
 同じ性質の（質量のみ異なる）粒子の繰り返し：なぜ？
ニュートリノ質量の理解が先決
 まだ測定されていない
 質量二乗差 m2 はニュートリノ振動実験により既知

本研究：ニュートリノ崩壊を観測し，質量を決定
重いニュートリノ  軽いニュートリノ + 光子光子（赤外線領域）のエネルギーを測定→ ニュートリノ質量の決定W3,  32

2
 ニュートリノ： 寿命が長く、まれにしか崩壊しない。現在の寿命の下限 = 1012年
探索には大量のニュートリノが必要
加速器で作るのは不十分
宇宙に大量に存在するはずの 宇宙背景ニュートリノ が唯一の解宇宙論で予言されるが未観測  その観測は宇宙論検証の意義を持つ
ニュートリノ崩壊発見によるニュートリノ質量の測定
宇宙背景ニュートリノ の発見

それぞれが極めて重要な成果となるビッグバン宇宙論と宇宙背景ニュートリノ (CνB)• ビッグバン宇宙誕生の数秒後→ 宇宙背景ニュートリノ CνB• ビッグバン宇宙誕生の３０万年後→宇宙背景マイクロ波輻射 CMBCνB ：宇宙の極初期の情報を持つ 
約100個/cm3 と大量に存在 

宇宙起源の理解の重要な鍵
ニュートリノ崩壊探索のニュートリノ源ニュートリノ崩壊信号検出の可能性
宇宙赤外線背景輻射 ＋
ニュートリノ崩壊からくる光子のエネルギー分布（E0＝25meV, τ＝1.5 x 1017年）

dN/dEγ
宇宙赤外線背景輻射
宇宙背景ニュートリノ崩壊光

直径20cm、視野0.1度の望遠鏡
10時間の測定、検出効率100％● 2%以下のエネルギー分解能が必要。
● 質量50meV, 寿命1.5 x 1017年（ＬＲ対称模型予言）のν3の崩壊は6.7σで観測可能。
● 現在の寿命下限（AKARI) 3 x 1012年
S.H. Kim et al. JPSJ 81 (2012) 024101
2019年に予備実験としてロケット実験を行う。
寿命下限を101４年まで上げる。

ニュートリノ崩壊探索ロケット実験
2019年に実験予定。 200 ㎞ 以上の高度で5分間データ収集
ニュートリノ寿命下限を 2 ケタ向上 ( ~1014 年)
JAXA Rocket CIB Experiment（Feb 2, 1992）

赤外線検出器部：
超伝導トンネル接合素子（ＳＴＪ）検出器を用いる

高分解能，信号微弱

素粒子構造部門 20162016
ニュートリノ崩壊探索
 ニュートリノ崩壊の観測に向けた超伝導接合素子 STJ を用いた光検出器の開発•••

遠赤外線の単一光子測定を目標 （エネルギー分解能 数%）
STJ 検出器にて原理的に実現可能  実証・製作へ （産総研と共同）
極低温下の小信号の読み出し（低ノイズ化）が課題  SOI 技術の導入

極低温SOIアンプによるNb/Al-STJ 信号の冷凍機内増幅

ハフニウムを用いた超伝導トンネル接合素子の開発

産総研CRAVITY製20m角Nb/Al-STJの可視光パルス（465nm）に対する応答信号を同じく冷凍機内の極低温SOI増幅回路による読み出しに成功

ハフニウム酸化層の上に薄いアルミニウム層を用い，従来のHf-STJよりリーク電流密度を約1/16に低減に成功．
このサンプルで可視光パルス（465nm）応答を確認．

ニュートリノ崩壊探索 研究成果
•論文
••
••

•

国際会議発表•••“Development of Superconducting Tunnel Junction detectors as a far-infrared photon-by-photon
spectrometer for neutrino decay search",
Y. Takeuchi et al., I2MTC, 2015 IEEE International, 551-555 (2015).
“Development FD-SOI MOSFET amplifiers for integrated read-out circuit of superconductingtunnel-junction single-photon-detectors",
K. Kiuchi et al., Proceedings of International Workshop on SOI Pixel Detector, arXiv:1507.07424.
"Development of Superconducting Tunnel Junction Detectors as a far-infrared single photon
detector for neutrino decay search",
Y. Takeuchi et al., PoS(TIPP2014)155.
"Development of Superconducting Tunnel Junction Photon Detector on SOI Preamplifier Board toSearch for Radiative decays of Cosmic Background Neutrino”,
K. Kasahara et al., PoS(TIPP2014)074.

"Development of Superconducting Tunnel Junction Detector and Cold Amplifier for COBAND
experiment",
K. Takemasa et al., IWSSD2016, International Workshop on Superconducting Sensors &Detectors, Tsukuba, Japan, Nov 14-16, 2016
"Development of Superconducting-Tunnel-Junction Single-Photon-Detectors Integrated with FDSOI MOSFET Amplifiers",
K. Kiuchi et al., IEEE NSS/MIC, San Diego, USA, Nov 1-7, 2015

修士論文
• 2014年3月修了• 2015年3月修了• 2016年3月修了

笠原
市村，奥平，金丸
先崎，森内•

2017年3月修了予定

八木重力の量子論は，標準理論に含まれていない

超弦理論の研究
素粒子は点ではなく長さを持つ弦である• 重力の量子論
くりこみ理論が通用しない• 4つの力の統一
ヒグス粒子の質量を説明する

 弦の場の理論

 AdS/CFT対応を用いた強結合ゲージ理論の研究

ൌ◇ 行列模型・ 超弦理論の非摂動的定式化の構築
・ 行列を用いた新しい幾何学（非可換幾何）の理解◇ 超弦理論への数値的アプローチ
・ 行列模型・ ゲージ/重力対応
例えば、超弦理論のブラックホールの性質を、対応するゲージ理論の数値計算により理解することが出来る
ブラックホールの内部エネルギー
閉弦

ブラックホール
ブラックホールD-ブレーンD-ブレーン（ゲージ理論）（ゲージ理論）[Ishiki et al, Sicence 2014]

開弦（温度）[ Science 344 (2014) 882]ブラックホールの内部エネルギーについてゲージ理論と超弦理論の計算結果が一致！

超弦理論 研究成果
•

論文
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•
•
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•

•

石橋延幸，佐藤勇二，伊敷吾郎"Dipolar quantization and the infinite circumference limit of two-dimensional conformal fieldtheories",
N. Ishibashi and T. Tada, Int. J. Mod. Phys. A 31, 1650170 (2016).
"Worldsheet theory of light-cone gauge noncritical strings on higher genus Riemann surfaces",
N. Ishibashi and K. Murakami, JHEP 06, 087 (2016).
“Exact mass-coupling relation for the homogeneous sine-Gordon model”,
Z. Bajnok, J. Balog, K. Ito, Y. Satoh and G. Zsolt Toth, Phys. Rev. Lett. 116, 181601 (2016).
“Non-supersymmetric asymmetric orbifolds with vanishing cosmological constant”,
Y. Satoh, Y. Sugawara and T. Wada, JHEP 1602, 184 (2016).
“On the mass-coupling relation of multi-scale quantum integrable models”,
Z. Bajnok, J. Balog, K. Ito, Y. Satoh and G. Zsolt Toth, JHEP 1606, 071 (2016).
“Kähler structure in the commutative limit of matrix geometry”,
G. Ishiki, JHEP 08, 042 (2016).
“Numerical tests of the gauge/gravity duality conjecture for D0-branes at finite temperature andfinite N”,
M. Hanada, Y. Hyakutake, G. Ishiki and J. Nishimura, Phys. Rev. D 94, 086010 (2016).

国際会議発表•••“Dimensional regularization of light-cone gauge superstring field theory and multiloop
amplitudes",N. Ishibashi, String field theory and related aspects VII, SFT2015, (ChengDu, China,May 11-15, 2015).
“Conformal field theories for non-geometric backgrounds in string theory",
Y. Satoh, New trends in low dimensional physics: Quantum integrability and applications,(Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing, China, September 1 - 15 , 2016).
“Matrix Geometry and Coherent States",
G. Ishiki, Workshop on Noncommutative Field Theory and Gravity (Corfu, Greece,
Sep. 21-26, 2015).

午後の Parallel Session
開始

題目

氏名

所属

13:00

終了
13:20

COBAND実験概要

武内 勇司

CiRfSE 素粒子構造部門

13:20

13:40

COBAND実験におけるSOI-STJ開発1

八木 俊輔

数理物質科学研究科 物理学専攻

13:40

14:00

COBAND実験におけるSOI-STJ開発2

若狭 玲那

数理物質科学研究科 物理学専攻

14:00

14:20

COBAND実験における較正用遠赤外光源開発

坂井 誠

福井大学工学研究科物理工学専攻

14:20

14:40

COBAND実験におけるHf-STJ 開発

武政 健一

数理物質系物理学域/
CiRfSE素粒子構造部門

14:40

15:00

休憩15:00

15:15

ATLAS実験の概要

佐藤 構二

CiRfSE 素粒子構造部門

15:15

15:40

ATLAS実験におけるヒッグス・電弱セクターでの新物理探索

大川 英希

CiRfSE 素粒子構造部門

15:40

15:55

ATLAS実験における重心系衝突エネルギー8 TeVでの陽子-陽子衝突のデータを用いたトップクォークとボトムクォークに崩壊する荷電ヒッグス粒子の探索

永田 和樹

数理物質科学研究科 物理学専攻

15:55

16:10

ヒッグス --> b b-bar

伊藤 史哲

数理物質科学研究科 物理学専攻

16:10

16:25

New physics searches in Z + MET events

笠原 宏太

数理物質科学研究科 物理学専攻

16:25

16:40

Charged Higgs (Run 2)

萩原 睦人

数理物質科学研究科 物理学専攻

16:40

16:55

休憩

16:55

17:15

HL-LHC 内部飛跡検出器増強 全体像

池上 陽一

CiRfSE / KEK

17:15

17:30

HL-LHCへ向けたピクセル検出器のビームテスト解析佐藤 和之

数理物質科学研究科 物理学専攻

17:30

17:45

HL-LHC ATLAS実験用シリコンストリップセンサーの放射線耐性評価

岩渕 周平

数理物質科学研究科 物理学専攻

17:45

18:00

HL-LHC 用内部飛跡検出器の開発

和田 冴

理工学群 物理学類

18:00

18:15

CMOS センサー開発の現状

大川 英希

CiRfSE 素粒子構造部門