宇宙史国際研究拠点

素粒子構造部門

CiRfSEワークショップ
2015年3月12日

筑波大学・数理物質系・物理学域

受川史彦

宇宙史国際研究拠点
素粒子構造部門2

宇宙史国際研究拠点（朝永センター）
目標： 素粒子・原子核・宇宙物理学の融合と、実験・理論の協調により、宇宙史の統一的理解
宇宙史の統一的描像の構築
質量起源・クォークグルオンプラズマ・銀河ブラックホール形成の包括的理解
暗黒物質・暗黒エネルギーの謎の解明

ヒッグス ・ニュートリノ・クォークグルオンプラズマ・ブラックホール・銀河形成を手掛かりとして国際共同研究の推進，研究拠点の形成••••

10-10 秒後
ヒッグス場の凝縮素粒子が質量を獲得
10-4 秒後クォークが結合して核子に１秒後宇宙背景ニュートリノ
１億年
第１世代天体

素粒子構造部門の研究• 高エネルギー加速器を用いた陽子陽子衝突実験
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ATLAS 実験

• 宇宙背景ニュートリノの崩壊探索
筑波大学グループを主とする国際チームによる研究
ニュートリノ• 超弦理論の研究重力の量子場の理論
４つの力の統一

4

素粒子

クォーク

力の伝達：
“ゲージ粒子”

物質粒子

電磁気力
強い力
弱い力
（重力）

レプトン

相対論的な量子場の理論により定式化： 素粒子標準理論

素粒子の基本相互作用
1. 強い相互作用
2. 電磁相互作用
3. 弱い相互作用
4. 重力

核力，クォーク，グルオン
電気力，磁気力，光子β崩壊，重い粒子の崩壊など
ニュートン，アインシュタイン

最初に電磁相互作用の理論（量子電気力学）が完成．
朝永振一郎，J. Schwinger，R. Feynman らによる．
1940年代

その後，弱い相互作用（電磁相互作用との統一理論），強い相互作用の理論が，電磁相互作用を手本として構築された．
すべて同じ枠組みを持つ．ゲージ相互作用，くりこみ可能，…

素粒子構造部門： ヒッグス研究

クォーク

力の伝達：
“ゲージ粒子”物質粒子
レプトン

ヒッグス粒子：粒子に質量を与える

LHC 加速器， CERN 研究所

スイス・フランス国境

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7

ATLAS 実験・検出器
38 ヶ国， 176 機関~3000 人日本 : 16 機関， ~110 人••

22 m ×44 m， 重量 7000 トン
読み出しチャンネル総数 1.1×108

ATLAS 実験
ヒッグス粒子の候補事象の例

H   候補事象

H   候補事象

Higgs 探索

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

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

ATLAS 実験の今後• 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？

• 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• 高統計のデータで測定精度を向上
2022年～
物理解析：検出器増強：加速器の増強••

エネルギー輝度

加速器増強

輝度 10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）検出器の増強

データ量の増大

百倍以上

13ATLAS 実験 検出器増強
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

現行のシリコン検出器

15

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 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16

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
2017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
2017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

SOI-STJ 一体型検出器の試作・試験
SOI (Silicon-On-Insulator)前置増幅器 :極低温(0.9K)で作動する
低ノイズ前置増幅器.
Tsukuba-KEK-Lapisが共同開発．

SOIトランジスタ基板上に Nb/Al-STJ を作成
してSOI-STJ一体型検出器1号試作機を製作。
極低温(0.75K)でNb/Al-STJ検出器とSOI MOSFETが共に正常に動作した．

50μm角のSTJに可視光レーザー(465nm)を照射し、STJの信号確認

I (1mA /DIV.)

Signal(～2μs)
V (2mV /DIV.)

500μV /DIV.
1μS /DIV.

宇宙背景ニュートリノ崩壊探索研究グループ
ソウル大S.B.Kim
STJ検出器近畿大加藤

LAPIS Semiconductor
産総研 (2014 - )STJ 検出器
福井大

理研

吉田美馬

STJ検出器

STJ検出器松浦、池田、和田ロケット、クライオスタット、エレクトロニクス、光学系

E. Ramberg
エレクトロニクス

岡山大

石野STJ検出器

JAXA/ISAS

FNAL

STJ検出器
筑波大学

金、武内
STJ検出器、クライオスタット、エレクトロニクス、光学系

KEK

新井、羽澄
エレクトロニクス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

ൌ素粒子構造部門の研究
拠点の session で詳細を
• 高エネルギー加速器を用いた陽子陽子衝突実験
欧州 CERN 研究所 LHC 加速器
大規模な国際共同実験
ヒッグス粒子原 和彦
本日 16:20
大川英希
明日 12:15

ATLAS 実験

• 宇宙背景ニュートリノの崩壊探索
筑波大学グループを主とする国際チームによる研究
ニュートリノ武内勇司
明日 11:50• 超弦理論の研究
重力の量子場の理論
４つの力の統一25