物質の究極とビッグバン直後の宇宙の探求

金 信弘（筑波大学 数理物質系）

於 きさらぎシンポジウム
２０１７年３月６日

1

ビッグバン宇宙と素粒子物理
素粒子物理の研究→より微細∥宇宙物理の研究→より初期の宇宙科学研究費補助金
新学術領域研究「ニュートリノフロンティアの融合と進化」 2013-2017年度

2

宇宙史

２００７年度〜 宇宙史一貫教育プログラム
筑波大で素粒子・原子核・宇宙観測を統合的に教育。
CDF,RHIC,LHC,電波望遠鏡観測,宇宙赤外線観測。 2015年度 修士21名 博士13名
２０１４年度〜 数理物質融合科学センター宇宙史国際研究拠点
筑波大で素粒子・原子核・宇宙観測を統合的に研究。

3

宇宙・物質・生命の階層と歴史
宇宙

1025m

銀河
第
一
世
代
天
体

恒星系
恒星

大きさ

105m

宇
宙
再
電
離

10-15m

10-35m生命（最大）
生命（細胞）分子（最大）
原子

イ
ン
フ
レ
ー
シ
ョ
ン

10-35s

原子核
現在

107y

時間

109y 1010y

プランク・
スケール
4

素粒子と素粒子間の力（素粒子標準理論）
スピン 1/2

スピン1

電荷

電荷

2/3

0

-1/3
0
0
±1, 0

-1
スピン 0

宇宙の目に見える物質（星、生命）は、
アップクォーク、ダウンクォーク、電子（第１世代）のみでできている。

5

ハドロン

陽子(uud ), 中性子(udd )など   (ud)中間子, K  (us)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）自由度を持っており、カラー一重項の白色の粒子（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。

質量の起源（ヒッグス機構）
2013年度ノーベル物理学賞
P. Higgs, F. Englert

ヒッグスポテンシャル
V (f) = m2f2 /2 + lf4 /4 ( lm2 > 0 (ビッグバン直後)
真空の相転移（対称性の破れ）2
m < 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

7

私のこれまでの研究• 1975～1980年 博士論文研究「KN実験」 ペンタクォーク探索• 1980～現在
CDF実験（高エネルギー陽子・反陽子衝突）• 2005～現在
ATLAS実験（高エネルギー陽子・陽子衝突）• 2006～現在
COBAND実験（宇宙背景ニュートリノ崩壊探索）8博士論文研究• 「KN実験」 KEK12GeVPS ペンタクォーク（エキゾチックバリオン）探索“The Measurement of the Polarization Parameter in K+ n Elastic Scattering at
Incident Momenta 1.06, 1.28, 1.39 and 1.49 GeV/c” PhD Thesis Feb. 1981
K.Nakajima et al. Phys.Lett. 112B (1982) 75-79 , Phys.Lett. 112B (1982) 80-82

Phase shift analysisの結果（我々の測定を含めた）新しいペンタクォーク候補

（MeV)

（MeV)

上記の候補を調べるために
pN→ΛX実験 (筑波大チーム：KEK12GeVPS）に参加。→ No Signal

9

CDF（Collider Detector at Fermilab) 実験
陽子・反陽子衝突実験

10

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。
直径２ｋｍのテバトロン加速器。
陽子・反陽子衝突エネルギーが２ＴｅＶ（２ｘ1012電子ボルト）

D0

CDF

Tevatron Ring

CDF測定器Main Injector

大きさ 10ｍｘ10ｍｘ10ｍ
重量 3000トン

11

テバトロン運転とCDF実験のまとめ• 1pb-1というのは，生成断面積が1pb (10-36cm2) の事象が平均して一回起こる積分ビーム輝度。
• 積分ビーム輝度の設計値2fb-1を大きく超えた。
12

CDF実験（1980年～現在）
私の貢献• CDF実験インターナル・ノート： 173編
1980

1990

2000

ヒッグス

26編

トップ
クォーク

55編

Bc中間子

9編

Bの物理
ジェット
QCD
電弱相互
作用
新粒子探
索
測定器・
粒子同定

9編
18編
4編

4編
カロリメータ：31，飛跡検出器：7，TOF：2，
粒子同定：8， 全48編
13

CDF実験設計報告書 (1981)

Number of Collaborators 87
14

CDF collaboration
Design Report (1981)
Country : 3
USA
Italy
Japan

# Members : 87
# Institutions : 13
57 (66%)915
2
15 (17% )2

Run I (1995 Observation of Top Quark Production)
Country : 5
USA
Italy
Japan
CanadaTaiwan# Members : 436 # Institutions : 35
315 (72%)25
57
4
47 (11%)48 ( 2%)1
9 ( 2%)
1

Run II (2004 )Country : 11 # Members : 615 # Institutions : 58
USA
376 (61%)
32
Italy
85
7
Japan
40 ( 7%)
6
Canada15 (2%)
1
Taiwan8 ( 1.3% )1Germany
16
1
Switzerland
8
1
Russia
12
2
UK
33
4
Spain
10
1
Korea
12 ( 2% )115

CDF検出器 （RUNⅠとそれ以前 ～１９９６）

16

CDFⅡ測定器 RUNⅡ
Muon System
Central Calor.
Solenoid
New
Old
Partially
New

Muon

Plug Calor.
Time-of-Flight

Front End Electronics
Triggers / DAQ (pipeline)
Online & Offline Software

Drift Chamber

Silicon Microstrip
Tracker17

測定器製作 Detector Construction
TopFest20 at Fermilab（2005年）の展示ポスター

超伝導ソレノイドコイル
超伝導ソレノイドコイルは1984年にCDF測定器に設置された。その前に、CDFの筑波大とKEKメンバーが集合した。
超伝導ソレノイドコイルは日立製作所で、筑波大とフェルミ研究所の共同チームの下に作られた。

18

測定器製作 Detector Construction
プラグ電磁カロリメータ (PEM)
PEMに用いる高抵抗プラスチックチューブのガス・プ
ロポーショナルチェンバーを筑波大で開発した。
筑波大とKEKのメンバーがPEMのビームテストをフェルミ研究所で行った。

A PEM quadrant was tested with beam in 1985.
PEM prototype completed in 1983.

A PEM quadrant module.

19測定器製作 Detector Construction

中央μ粒子検出器 (CMUP)
筑波大チームは信号読み出しと高電圧用
エレクトロニクスボードを製作した。

中央電磁カロリメータ (CEM)
シンチレータと波長変換板は日本で製作テストされ、アルゴンヌ研究所・フェルミ研究所で組み立てられた。 筑波大とKEK合同チームがCEMを校正するために宇宙線テストを行った。

20

CDF実験の物理成果

21

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)（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
2011年9月
実験データ収集終了

22

テバトロン実験史（1983-2011年）
Poster distributed in Tevatron Legacy Symposium held at Fermilab in 2012
15種類の基本的な中間子
＿

＿

_

_

u

uu

＿

d

s
_

ud

 '
0

+


_

dd
 '
0

＿

＿

_

_

c

uc

us
K+

＿

_

_

D

0

b

ub
B+
_

ds
0
K

dc
D-

db
0
B

_

_

_

ss
'

u
d

sc
D -s

sb
Bs

s

cc

cb
+
Bc

c

_

J/

_

_

2000年 大韓民国学術院賞受賞「Bc中間子の発見」

bb


b
Discovery of Bc meson, the last of the quarkantiquark pairs known to exist. Tsukuba University
physicist Shin-Hong Kim, of CDF, discussed thediscovery of a new meson at a Fermilab seminaron
23
March 5, 1998.

CDF実験 高引用数(＞250）論文 ( Before Run1)
Run 0
1. Anomalous J/ψ production 980, 249, 338, 419, 415
Measurement of the $J/¥psi$ meson and $b-$hadron production cross sections in $p¥bar{p}$ collisions at $¥sqrt{s} = 1960$ GeV.Phys.Rev.D71:032001,2005. | Cited 980 times RUN2
Measuremet of the $J/¥psi$ and $ and $¥psi(2S$ polarization in $p¥bar{p}$ collisions at $¥sqrt{s} = 1.8$ TeV.Phys.Rev.Lett.:85: 2886,2000. | Cited 256 times RUN1
Production of $J/¥psi$ mesons from $¥chi_c$ meson decays in $p¥bar{p}$ collisions at $¥sqrt{s} = 1.8$ TeV. Phys.Rev.Lett.79:578-583,1997. | Cited 338 times RUN1
$J/¥psi$ and $¥psi(2S)$ production in $p¥bar{p}$ collisions at $¥sqrt{s} = 1.8$ TeV. Phys.Rev.Lett.79:572-577,1997. | Cited 419 times RUN1
Inclusive $J/¥psi$, $¥psi(2S)$ and $b$ quark production in $¥bar{p}p$ collisions at $¥sqrt{s} = 1.8$ TeV. Phys.Rev.Lett.69:3704-3708,1992. | Cited 415 times

2. W boson mass

279, 301, 306

Measurement of the $W$ boson mass. Phys.Rev.D52:4784-4827,1995. | Cited 279 times RUN1
A Measurement of the $W$ boson mass in 1.8 TeV $¥bar{p}p$ collisions. Phys.Rev.D43:2070-2093,1991. | Cited 301 times
A Measurement of the $W$ boson mass.Phys.Rev.Lett.65:2243-2246,1990. | Cited 306 times

3. Three jet events

503

The Topology of three jet events in $¥bar{p}p$ collisions at $¥sqrt{s} = 1.8$ TeV. Phys.Rev.D45:1448-1458,1992. | Cited 503 times

4. Charged particle dn/dη319

Pseudorapidity distributions of charged particles produced in $¥bar{p}p$ interactions at $¥sqrt{s} = 630$ GeV and 1800 GeV. Phys.Rev.D41:2330,1990. | Cited 319 times |5. Total cross section

387

Measurement of the total cross-section at $¥sqrt{s} = 546$ GeV and 1800-GeV. Phys.Rev.D50:5550-5561,1994.| Cited 387 times

6. Top quark search281

A search for the top quark in the reaction $¥bar{p} p ¥to e + {¥rm jets}$ at $¥sqrt{s} = 1.8$ TeV. Phys. Rev. Lett. 64:142-146,1990. | Cited 281 times

7. Charged particle pT distribution

303

Transverse momentum distributions of charged particles produced in $¥bar{p}p$ interactions at $¥sqrt{s} = 630$ GeV and 1800 GeV. Phys.Rev.Lett.61:1819,1988. Cited 303 times

24

CDF実験 高引用数(＞250）論文 ( Run1)
Run 1

8. Top Quark Discovery

2961, 756, 961

Observation of top quark production in $¥bar{p}p$ collisions. Phys.Rev.Lett.74:2626-2631,1995. | Cited 2961 times
Evidence for top quark production in $¥bar{p}p$ collisions at $¥sqrt{s} = 1.8$ TeV. Phys.Rev.Lett.73:225-231,1994. | Cited 756 times
Evidence for top quark production in $¥bar{p}p$ collisions at $¥sqrt{s} = 1.8$ TeV.
Phys.Rev.D50:2966-3026,1994. | Cited 961 times

9. Bc Discovery 328, 268

Observation of the $B_c$ meson in $p¥bar{p}$ collisions at $¥sqrt{s} = 1.8$ TeV. Phys.Rev.Lett.81:2432-2437,1998. | Cited 328 times
Observation of $B_c$ mesons in $p¥bar{p}$ collisions at $¥sqrt{s} = 1.8$ TeV.Phys.Rev.D58:112004,1998. | Cited 268 times

10. Inclusive jet

372

Inclusive jet cross section in ${¥bar p p}$ collisions at $¥sqrt{s}=1.8$ TeV.Phys.Rev.Lett.77:438-443,1996.| Cited 372 times

11. sin 2β 298
A measurement of $¥sin(2¥beta)$ from $B ¥to J/¥psi K^0_S$ with the {CDF} detector. Phys.Rev.D61:072005,2000. | Cited 298 times

25

CDF実験 高引用数(＞250）論文 ( Run2 )12. Bs oscillation 645, 289
Observation of B0(s) - anti-B0(s) Oscillations. Phys.Rev.Lett.97:242003,2006. | Cited 645 tmes
Measurement of the B^0_{s}-¥bar{B}^0_s Oscillation Frequency. Phys.Rev.Lett.97:062003,2006. | Cited 289 times

13. ttbar forward-backward asymmetry

507, 258

Evidence for a Mass Dependent Forward-Backward Asymmetry in Top Quark Pair Production. Phys.Rev.D83:112003,2011. | Cited 507 times
Forward-Backward Asymmetry in Top Quark Production in $p¥bar{p}$ Collisions at $sqrt{s}=1.96$ TeV. Phys.Rev.Lett.101:202001,2008. | Cited 258 times

14. X(3872) 685
Observation of the narrow state X(3872) ¥to J/¥psi ¥pi^+ ¥pi^- in ¥bar{p}p collisions at ¥sqrt{s} = 1.96 TeV. Phys.Rev.Lett.93:072001,2004. | Cited 685 times

15. Single top production 431
First Observation of Electroweak Single Top Quark Production.Phys.Rev.Lett.103:092002,2009. | Cited 431 times

16. Direct Higgs Search 294, 215
Evidence for a Particle produced in association with weak bosons and decaying to a bottom-antibottom quark pair in Higgs boson search at theTevatron. Phys. Rev.
Lett. 109:071804,2012. | Cited 294 times
Combination of Tevatron searches for the standard model Higgs boson in the W+W- decay mode.Phys.Rev.Lett.104:061802,2010. | Cited 215 times

17. Top pair production cross section 374
Measurement of the t¥bar{t} production cross section in p¥bar{p} collisions at $¥sqrt{s} = 1.96$ TeV
using lepton + jets events with secondary vertex b-tagging. Phys.Rev.D71:052003,2005. | Cited 244 times

18. CP violaton in Bs →J/ψφ decay

321

First Flavor-Tagged Determination of Bounds on Mixing-Induced CP Violation in B^0_{s} ¥to J/¥psi ¥phi Decays. Phys.Rev.Lett.100:161802,2008. | Cited 321 times

19. Search for Bs →μμ and Bd →μμ and J/ψφ decay 294

Search for B^0_{s} ¥to ¥mu^{+} ¥mu^{-} and B^0_{d} to mu^{+} ¥mu^{-} decays with 2fb^{-1} of p ¥bar{p} collisions. Phys.Rev.Lett.100:101802,2008. | Cited 294 times

20. Top Quark Mass 227
Combination of the top quark mass measurement from the Tevatron vollider Phys.Rev.D86:092003,2012.. | Cited 227 times

26トップクォークの発見27

トップクォーク対生成事象

2レプトン事象

１レプトン事象

全ジェット事象• クォーク，グルオンはジェットと呼ばれる同じ方向に飛ぶハドロン粒子群として観測される。
28

ＣＤＦでのトップクォーク対生成の同定● 2レプトン・チャンネル
t t → W+ b W- b → l + l - νν b b
事象選別の信号： l +, l -, missing ET , 2 jets
◎ b tagging は要求しない。
● 1レプトン・チャンネル
t t → W + b W - b → l± ν q' q b b
事象選別の信号： l ±, missing ET , ≧3 jets, b tagging● 全ジェット・チャンネル
t t → W + b W - b → q' q q' q b b
事象選別の信号： ≧５ jets, Σ ET , b tagging
b tagging（ｂジェットの同定）:◎ silicon vertex detector (SVX) で b の崩壊点を検出。
◎ soft lepton tagging (SLT) でセミレプトニック崩壊した b を同定
29

トップクォーク候補事象の一例

30

Preparation for CDF physics analysis in Japan in 1986-1987

59 pages report on simulation study by 15 CDF Japan members
for the CDF Engineering Run in 1987.

Jet reconstruction is crucial for top quark search.

31

ジェット再構成アルゴリズムの確立• ハドロン群 → ジェット（クォーク、グルオン）• コーン・アルゴリズムを採用
η‐φ平面で半径0.7のコーンに入る
ハドロンをジェットとして同定
ここで η＝-ln (tan（Θ/2))

Jan 25,1988

32

ジェットのエネルギー較正We showed that we can use g-jet
ET balancing for the jet energy calibration.

33

CDF全体ミーティングでのトップクォーク質量解析についての報告

Use Likelihood of only propagator and detector resolution.
Almost the same as the present top mass fitter.

34

SVX bジェット同定 2事象.
2事象の質量は筑波大チームの解析結果とLBLチームの解析結果（同じミーティング
で報告）が一致5ヵ月後,9ヶ月後、CDFは “Evidence for Top
Quark Production”の論文を発表.
35

W（→lν）+ジェット事象のジェット数分布36

トップクォーク生成の証拠
Run 1A (1992-93, 19 pb-1 ) の結果 PRL('94); PRD('94)

観測事象数
Dilepton 2 events
SVX
6 tagsSLT
7 tagsbkgd 期待値
0.56 +0.25/-0.13
2.3 ± 0.3
3.1 ± 0.3

統計的有意性
12.0%
三つを総合した
3.2%
統計的有意性：
4.1%
P = 0.26% (2.8σ)

質量分布（Lepton + 4 jets 事象の再構成）

質量分布から求めた信号の統計的有意性:P = 2.0% (2.3σ)
Countingとmass spectra を総合した統計的有意性：
P = 0.057% (3.5σ)

M top = 174 ± 10 (統計) +13/-12(系統) GeV/c2
σ( t t ) = 13.9 +6.1/-4.8 pb

37

トップクォーク生成の確認
Run 1A +1B ; 67 pb-1 の結果 PRL('95)

観測事象数 bkgd 期待値 統計的有意性
Dilepton
6 events
1.3 ± 0.3
3x10-3 (2.7σ)
SVX
27 tags
6.7 ± 2.1
2x10-5 (4.0σ)
SLT
23 tags
15.4 ± 2.0
6x10-2 (1.9σ)
三つを総合した統計的有意性：P = 1x10-6(4.8σ)
質量分布（Lepton + 4 jets 事象の再構成）

M top = 176 ± 8 (統計) ± 10 (系統) GeV/c2
σ ( t t ) = 6.8 +3.6/-2.4 pb

38

Bc中間子の発見

Bs中間子の粒子反粒子振動の初観測

39

Bc中間子の発見
CDF internal notes on the Bc analysis

40

Bc 中間子の発見

CDF RUN II

Bc J/ ψπ崩壊モード

CDF RUN I

Bc J/ lν 崩壊モードでBc 中間子発見(1998).
J/＋l invariant mass

M(Bc )  6287.0  4.8  1.1 MeV/c2

probability of fluctuation < 0.1%

Bc J/ eν 崩壊モード

N（Bc）＝ 20.4＋6.2ー5.6
 ( Bc )  0.46  0.18 ps
 0.061
 ( p p  Bc X)BR( Bc  J / ) 0.132- 0.052
 ( p p  B u X)BR( B u  J /K )鈴木潤一（筑波大） 博士論文 (1998)41

青木雅人（筑波大） 博士論文（2006）

2005年時点でのCDFのBs振動についての展望

BS 振動発見の展望• This plots assume:- flavor tagging: 崩壊粒子がBsかBsかを決定

CKM fit : 2

add same-side kaon tagging
εD2 = 1.6 + 3.0%
- Vertex resolution:
improved by 20%- Trigger bandwidth:
飛行時間測定器（TOF detector)でK中間子同定
utilize 50% of CDF data
Run2 Technical Design Reportになかった。追加設計。

5σ observation:
L=2 fb-1 : ΔmS < 15 ps-1
L=8 fb-1 : ΔmS < 22 ps-1
42

Bs中間子振動の観測

CDF実験では，2006年春にBs中間子の粒子
反粒子振動を観測した(多数の新聞報道)。

フーリエ解析

Bs中間子振動の振動数は、 B中間子振動の振動数の40倍程度と理論で予測されていて、観測は非常に難しいと考えられていた。
PRL 97 (2006) 062003
PRL 97 (2006) 242003

3.1σ（99.8％ CL)
5.4σ（1-8x10－8 CL)

Bs 中間子の粒子反粒子振動の角振動数
Δｍs ＝17.77 ±0.10(統計誤差）±0.07(系統誤差）毎ピコ秒。(ピコ秒＝10-12秒)|Vtd/Vts| = 0.2060±0.0007 (実験) +0.0081/-0.0060 (理論)
標準理論(小林・益川理論)の非常に高い精度の検証。
魚住 聖（筑波大）博士論文 「 Bs中間子の寿命測定」

43トップクォークとWボソンの質量測定（ヒッグス粒子の間接探索）

44

Top Quark Mass (1fb-1 in 2006)
1fb-1

RUN2のCDF TDRでは2fb-1でΔMtop = 3 GeV/c2
ΔMW = 30 MeV/c2
土屋 亮（早稲田大）博士論文
寄田浩平（早稲田大）博士論文
佐藤構二（筑波大）博士論文

1fb-1でΔMtop = 2.4 GeV/c2
最終的に
9.7fb-1で CDF+D0結果
Mtop = 174.30±0.65 GeV/c2
45

W Boson Mass
2012年2月23日 CDFがこれまでの世界平均よりも高精度で、Wボソンの質量測定.
Wボソンの横質量分布（CDF)
2.2 fb-1
MW = 80.387± 0.019 GeV/c2

Wボソン質量の世界平均値（LEP２＋Tevatron)：
MW = 80.385± 0.015 GeV/c2

W →μν

W → eν

46

トップとWの質量測定によるヒッグス粒子の間接探索

Wボソンの質量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

トップクォークの質量

トップクォークの質量(Tevatron): Mtop = 173.2 ± 0.9 GeV/c2
Wボソンの質量(LEP2 + Tevatron): MW = 80.385 ± 0.015 GeV/c2

ヒッグス粒子の質量:

MHiggs < 152 GeV/c2 (95％信頼度）

47

テバトロン実験（CDF＋D0)でのヒッグス粒子の直接探索
軽いヒッグス粒子 ( MH < 130GeV/c2)
陽子中のクォーク

xt

ヒッグス粒子_反陽子中の反クォーク

ボトムクォーク対bb

重いヒッグス粒子 ( MH > 130GeV/c2)
陽子中のグルオン

Ｗ, Ｚボソン対

ヒッグス粒子反陽子中のグルオン

W+W-,
ZZ
48

テバトロンでのヒッグス粒子探索の結果
10fb-1

MH < 130 GeV/c2

pp →WHX →l ν + bb + X
博士論文: 増渕達也（筑波大），永井義一（筑波大）

2012年7月27日 H → bb チャンネルで115 ＜mH ＜ 135 GeV/c2の信号の有意性 3.1σ（ 99.9％信頼度 ）49

CDF日本グループ博士論文 (62篇)Before RUN I ( 15篇)
F. Ukegawa

Bottom Quark Production in 1.8-TeV Proton-Antiproton Collisions(1991.9).
PRL 71 (1993) 500; citation 236

RUN I ( 24篇)
T. Chikamatsu Top-Quark Search in the Dilepton Channel in 1.8-TeV Proton-Antiproton Collisions(1994.2).
PRL 73 (1994) 225; citation 756 PR D50 (1994) 2966; citation 961
E. Hayashi Search for New Neutral Gauge Bosons in 1.8-TeV Proton-Antiproton Collisions (1996.9)
PRL 79 (1997) 2192; citation 190
S. Aota
A Measurement of Top Quark Mass and Kinematics Properties in Fermilab 1.8-TeV
Proton-Antiproton Collisions (1997.1) PRL 80 (1998) 2767; citation 181 PRL 80 (1998) 5720; citation 21
J. Suzuki Observation of the Bc Meson in 1.8-TeV Proton-Antiproton Collisions (1998.1)
PRL 81 (1998) 2432; citation 328
PR D58 (1998) 112004; citation 268

RUN II ( 23篇 )K. Yorita Measurement of the Top Quark Mass by Dynamical Likelihood Method using Lepton plus Jet Eventsin 1.96-TeV Proton-Antiproton Collisions (2005.1)
PR D73 (2006)092002; citation 35
K. SatoMeasurement of the Top Quark Mass with the Collider Detector at Fermilab (2005.2)
PR D73 (2006) 032003; citation 173
K. Nakamura Measurement of the Single Top Quark Production Cross Section in 1.96-TeV Proton-Antiproton
Collisions(2009.2)
PRL 103 (2009)092002; citation 431
Y. Nagai Search for the Standard Model Higgs Boson in the WH -> l nu b b-bar Channel in 1.96-TeV ProtonAntiproton Collisions(2009.2)
PRL 103 (2009)101802; citation 50
50

CDF実験のまとめ
 CDF実験で. 多くの重要な物理成果を得た。
- トップクォークの発見- BS中間子振動の観測- BC中間子の発見- ヒッグス粒子の質量範囲の決定
 大型国際協力実験を経験した若手研究者人材を多く輩出した。
 LHC実験、ILC実験につながるエネルギー・フロンティアの研究の大きな一歩となった。
CDF実験は日米科学技術協力事業予算、科学研究費補助金（14046203、18071002
等）、筑波大学予算（超伝導ソレノイド電磁石、プリシャワーカウンター、飛行時間測定器）の支援を受けて、遂行されました。ご支援ありがとうございました。
51

CERN 研究所LHC加速器を用いたATLAS実験
ヒッグス粒子の発見

52

ＬＨＣ 陽子・陽子衝突型加速器
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（１４兆電子ボルト）の設計
加速器の大きさは直径約８ｋｍ
1600台の超伝導電磁石（日本も貢献）

ＡＴＬＡＳ（素粒子Ｇ），ＣＭＳ →ヒッグス粒子
2008年9月10日

ＬＨＣ加速器リングを陽子ビームが初周回

2009年11月 加速器運転再開

ＡＴＬＡＳ測定器

2010年

本格実験開始。衝突エネルギー７ＴｅＶ

2012年

衝突エネルギー８ＴｅＶ

実験目的： ヒッグス粒子の発見とその性質の研究、

22m

超対称性粒子等の新粒子の探索
44m

7000ton53

ATLAS実験でのヒッグス粒子発見
H→γγチャンネル
2013年7月

2012年7月

ヒッグス粒子の質量
２光子のエネルギーを高精度で測定することによって、その不変質量すなわちヒッグス粒子の質
量を高精度で測定。

バックグラウンドは滑らかな分布なので、連続関数でフィットする。その結果１２５ＧｅＶ付近に新粒54子のピークが有意に観測された。

ATLAS実験でのヒッグス粒子発見
H→ＺＺ（＊） →４ｌチャンネル

2012年7月

2013年7月

ヒッグス粒子の質量
２つのＺ粒子はそれぞれ2個の荷電レプトン（e＋e －or μ ＋ μ － ）に崩壊するので、終状態に4個の荷電レプトンが存在。4個の荷電レプトンの運動量を高精度で測定することによって、その不変質量
すなわちヒッグス粒子の質量を高精度で測定。
バックグラウンドは主に別の生成過程でできたＺＺ対。信号のピークが１２５ＧｅＶ付近に有意に観測された。
55

ヒッグス粒子のフェルミ粒子への崩壊の証拠(2013年11月）
2.1σ
3.3σ

0.36σ (exp1.6σ)
4.1σ (exp3.2σ)
3.7σ (exp3.4σ)

𝜇𝑏𝑏,𝜏𝜏 = 0.83 ± 0.24, 3.8σ
ヒッグス粒子の各崩壊チャンネルのうち、ヒッグス粒子崩壊のτレプトン対チャンネルへの崩壊信号が4.1σで観測された。ボトムクォーク対チャンネルでは信号が観測されていない。ヒッグス粒子とフェルミ粒子の結合の証拠が観測された。統計が５σ以上で初めて発見といえるので、ヒッグス粒子の結合定数を精度よく測定することによって、標準理論が正しいか、あるいは標準理論を超える物理が出てくるのか
56
がわかる。

ＬＨＣ実験の成果と今後の展望
成果
2011年末に7TeV運転終了（5ｆｂ-1）
2012年末に8TeV運転終了（20ｆｂ-1）
2015年9月に13TeV運転開始（ 2015年：4ｆｂ-1，2016年9月まで：30ｆｂ-1 ）● 2光子チャンネル、Ｚボソン対チャンネル、Ｗボソン対チャンネルで、ヒッグス粒子を発見した。 ヒッグス粒子の質量125.09±0.24ＧｅＶと決定。
τレプトン対チャンネルへの崩壊の証拠も検出した。
予定
2015年9月から13TeV運転中（ 2016年：35ｆｂ-1 ）● ボトムクォーク対チャンネルに崩壊するか否かの結論が出る。即ち、クォークセクターでのヒッグス粒子とフェルミ粒子の結合定数を測定。
さらに統計をあげて、ヒッグス粒子とトップクォークとの結合定数を測定。
● 標準理論を超える物理の探索（重いヒッグス、荷電ヒッグス、超対称性粒子、複合ヒッグス）
57素粒子物理で現在説明不能な実験事実
1. 異常に重いトップクォーク、異常に軽いニュートリノ
ヒッグス粒子Mtop/Me = 3.5 x 105

トップクォークMν/Me = 10－8 ～ 10－6

2．なぜ3世代か？

ニュートリノ

なぜ質量起源として、ヒッグス機構とQCDカイラル凝縮の２段階あるのか？

3．暗黒物質とは？ 暗黒エネルギーとは？

58

宇宙背景ニュートリノ崩壊探索
COBAND実験

59

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 Δm2 はニュートリノ振動実験により既知

目的：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,m   g
3

2

2

g

 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 = 3×1012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 が唯一の探索方法

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発見

60

宇宙背景ニュートリノ崩壊探索ロケット実験・衛星実験COBAND
数理物質融合科学センター宇宙史国際研究拠点が強力に推進するプロジェクト

COBAND実験のホームページ

http://hep.px.tsukuba.ac.jp/coband/• 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 

2019年
ロケット実験
2020年以降 衛星実験

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

極低温SOI前置増幅器付きNb/Al-STJ＋回折格子61
Hf-STJ （マイクロカロリメータ）

COBAND実験チーム

宇宙背景ニュートリノ崩壊探索の研究体制
数理物質融合科学センター宇宙史国際研究拠点宇宙史コンソーシアムの一部
物質起源探求のＣＤＦ国際共同実験（1980年～）グループ＋超伝導検出器開発グループ↓
筑波大がリードする世界最先端の宇宙背景ニュートリノ国際研究グループ
ソウル大S.B.Kim
STJ検出器KEK新井、羽澄エレクトロニクス

産総研
大久保SOI-STJ検出器

近畿大
加藤

福井大
吉田

岡山大
石野

データ転送

遠赤外線源

STJ検出器FNAL
E. Ramberg
エレクトロニクス

筑波大学
金、武内

JAXA/ISAS
和田、池田

STJ検出器、
クライオスタット、エレクトロニクス、光学系

ロケット、エレクトロニクス

理研
美馬

静岡大
川人

STJ検出器エレクトロニクス

関西学院大
松浦
クライオスタット、光学系
2015年～ 関学大、静岡大

2014年～ 産総研
2011年～ FNAL、岡山大、福井大、近畿大
2007年～ 筑波大学、JAXA/ISAS、理研、ＫＥＫ、ソウル大62

ニュートリノ崩壊で生成される光子のエネルギー
ニュートリノ2体崩壊
𝝂𝟑 → 𝝂𝟐,𝟏 + 𝜸
𝜈3
𝜈2

𝐸𝛾
2
𝑚32 − 𝑚1,2
𝐸𝛾 =
2𝑚3

m2=8.7meV
m1=1meV–2
Δ𝑚23= |𝑚32 − 𝑚22 | ~ 2.4 × 10−3 𝑒𝑉 22
– Δ𝑚12~ 7.65 × 10−5 𝑒𝑉 2•

宇宙観測結果（ Planck+WP+highL+BAO）– ∑𝑚𝑖 < 0.23 eV

 50meV<𝑚3 <87meV
𝑬𝜸 =14~24meV (𝝀𝜸 =51~89mm)
光子エネルギー分布 𝝂𝟑 → 𝝂𝟐 + 𝜸
𝑚3 = 50 meV

m3=50meV
Eg =24.8meV(50𝜇𝑚)

ニュートリノ振動実験結果

Eg =24meV(52𝜇𝑚)

Eg =4.4meV(282𝜇𝑚)dN/dE(a.u.)𝛾•

Red Shift effectSharp Edge with
1.9K smearing

𝐸𝛾 [meV]
𝟐𝟓𝒎𝒆𝑽(波長𝟓𝟎𝝁𝒎) 63

宇宙赤外線観測による宇宙背景ニュートリノ崩壊の探索
宇宙赤外線光のエネルギースペクトル
可視光

遠赤外線

近中赤外線

黄道放射

電波
CMB

エネルギー連続スペクトル（＝
黄道放射＋宇宙背景ニュート
リノ崩壊光）を測定

黄道光
銀河進化
モデル

高エネルギーカットオフ(25meV)

ニュートリノ崩壊の信号＝高エネルギーでの急激なカットオフ

宇宙背景ニュートリノ
崩壊光

ニュートリノの現在の寿命下限は ３ ×1012年。
ロケット実験で100倍の検出感度（寿命1014年まで観測可能）
左右対称模型の理論予言値は～1017年（衛星実験で検出可能）

これまでは離散的な測定のみ：
宇宙背景赤外線輻射CIB の測定結果( AKARI衛星,  COBE衛星)
天文観測としての重要性
 初代天体収縮時の水素分子線
 残骸ブラックホールの降着円盤
 初代重元素ダスト熱放射
Ref: 久野(筑波大) らのサブミリ波観測
ロケット実験 SPIE 2553 (1995) 568＊宇宙遠赤外線は大気で吸収されるので，大気圏外での観測が不可欠。

64

宇宙背景ニュートリノ崩壊探索ロケット実験・衛星実験COBAND
ロケット実験計画: ２０１９年に高度200 kmで５分間データ収集
ニュートリノ寿命が1014年以下なら観測可能。（現在の寿命下限は 3×101２年).
»超伝導トンネル接合素子 (STJ) 赤外線検出器を開発
50 Nb/Al-STJ ピクセルアレイと回折素子で遠赤外線エネルギー測定
遠赤外一光子（25meV)検出 → リーク電流100pA以下（達成済み）、ノイズ30e以下を要求

JAXA Rocket
CIB Experiment（Feb 2, 1992）

2020以降に衛星実験 → 寿命τ(ν3) ~1017年なら観測可能
˃

Hf-STJ 赤外線検出器で衛星実験 ( S. H. Kim et al. JPSJ 81,024101 (2012)）
 𝚫 = 𝟐𝟎𝝁𝒆𝑽 : ハフニウムの超伝導エネルギーギャップが小さいので、回折格子なしで65
エネルギー測定。

超伝導トンネル接合素子検出器
STJ (Superconducting Tunnel Junction）Detector• 超伝導膜 / 絶縁膜 / 超伝導膜 ジョセフソン結合

入射粒子によって、超伝導体のエネルギーギャップの上に励起された準粒子はトンネル効果でトンネル障壁
を通過。そのトンネル電流を測定することによって、個々の入射粒子のエネルギーを測定。

STJ I-V曲線

ジョセフソン電流
Critical current Ic

NormalresistanceRn in |V| > 2Δ/e

エネルギーギャップΔが、通常の検出器（半導体検出器等）に比べて桁違いに小さい

低エネルギー放射線を高エネルギー分解
能で一光子ごとに測定できる

応用技術
リーク電流
X線分光： 半導体検出器と比較して、Nb/Al-STJはエネルギー( Dynamic resistance 分解能が30倍程度高い。
Rd in |V| < 2Δ/e)66
量子情報通信： 高速（１ｋHz以上）で赤外線を一光子ごとに検出

１． SOI-STJ: 筑波大, KEK, 産総研等との共同研究で, SOI（Silicon-On-Insulator)技術を用いた極低温増幅器と超伝導トンネル接合素子STJを一体化したSOI-STJ検出器を開発中

Nb/Al-STJ素子
SOI読み出し回路+ SOI (Silicon-On-Insulator) 技術
MOSFET4Kで動作～50nm(by T. Wada (JAXA) et al. J. Low Temp Phys. 167 602 (2012)）

FD-SOI -MOSFET+ SOI回路と一体化したSTJ検出器
Nb/Al-STJをSOI回路基板上に作成 SiO2絶縁膜上にMOSFETを形成→非常に薄いチャンネル層3K以下の極低温でも動作

2． Hf-STJ:
筑波大, KEK等との共同研究で, Hfを用いた超伝導トンネル接合素子
67
Hf-STJを開発中

宇宙背景ニュートリノ崩壊の観測に向けた
超伝導接合素子（STJ）赤外線検出器開発の現状•••

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（３００ｍK) 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20mm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．

68

宇宙背景ニュートリノ崩壊探索のまとめ
 宇宙背景ニュートリノの崩壊探索を行う。

この発見によって、ニュートリノの質量を決定する。
 素粒子質量階層の起源解明
宇宙背景ニュートリノの発見によって宇宙論の推進 宇宙極初期の状態の解明
 2019年に宇宙赤外線観測ロケット実験を実施

世界初の遠赤外線領域の連続エネルギースペクトル測定ニュートリノ崩壊の検出感度を100倍あげる。
 2020年以降に宇宙赤外線観測衛星実験を実施
ニュートリノ崩壊の検出感度をさらに1000倍あげる。（左右対称模型の予言する寿命ならば、発見可能）

69

おわりに

素粒子標準模型の予言するヒッグス粒子が発見されたことで、ビッグバン宇宙後、質量がどのようにして生成したかが明らかになった。 → 「新しい真空の概念」
素粒子の質量階層の問題は未解決であり、ヒッグス粒子とニュートリノの性質の理解を深めることが不可欠。
↓
その理解の深化は、新しい物理の始まり、宇宙・物質起源の解明につながる。宇宙史の包括的理解への道を拓く。

70