CiRfSE 宇宙史国際研究拠点

素粒子構造部門
2015 成果報告

CiRfSEワークショップ
2016年1月19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• 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
受川，原，佐藤構，大川（国際TT助教）• 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• 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（2015/12 -）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

ATLAS 実験 2015
 LHC加速器 陽子陽子衝突 CERN 研究所••••

データ取得再開 （2012 以来）
重心系エネルギー 8 TeV  13 TeV
積分輝度 ~ 5 fb-1 瞬間輝度 5.1×1033 cm-2 s-1
2018年末まで長期の中断なしに運転 ~ 100 fb-1

種々の標準理論過程の生成断面積vs. 重心系エネルギー

新物理の探索の例 ： 新粒子  ２光子？

質量 750 GeV/c2 に excess
有意度 3.6 σ local （2.0 σ global）

重心系エネルギーの増加により生成断面積 ~ 数倍

CiRfSE 素粒子構造部門 / 筑波大学 の寄与・成果

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
このあと本人による発表•

物理解析・博士論文
木内健司 2015年3月修了
渕 遼亮 2016年3月修了予定
永田和樹 近く提出予定
伊藤史哲 D2
笠原宏太 D2
萩原睦人 D1
本多俊介 D1•ヒッグス  ボトム・クォーク対
ヒッグス対生成の探索
荷電ヒッグス粒子探索
ヒッグス  ボトム・クォーク対
重いヒッグス・未知粒子への崩壊
荷電ヒッグス粒子探索
ttH

検出器増強
岩渕周平 M1
ストリップ検出器
佐藤和之 M1
ピクセル検出器
2015年3月修士課程修了者 ２名（萩原，臼井）ATLAS 実験 物理論文（査読あり，公表済み）
2014年 103 篇， 2015+2016年 109+7 篇
検出器開発
論文
2014年度 2篇
学会発表
2014年度 2件， 2015年度 3件

CiRfSE
若手教員

佐藤大川佐藤ヒッグス粒子は物質粒子と結合するか？

ヒッグス粒子は自己結合するか？
Higgs 対生成

ゲージ粒子
物質粒子

木内 2015/3 修了
塙 2013/3 修了

現在のデータ量では標準理論の感度はない• 結合の異常• 重いヒッグスの hh への崩壊

生成断面積上限値を設定・改善

標準理論 :  ∝ m
渕 2016/3 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？

唯一無二
複数のうちのひとつ？

• 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
2026年～2030年代
物理解析：検出器増強：加速器増強(HL-LHC)
瞬間輝度 10倍
データ量 現在の >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）

LHC加速器の長期計画•••

2015-2018年までに100 fb-1 (Run 2)
2021-2023年までに300 fb-1 (Run 3)
2035年までに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

放射線耐性
テストビームによる性能評価

午後の講演
岩渕，佐藤和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
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

ニュートリノ崩壊探索 2015 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
Nb/Al-STJ の静電容量の測定

Nb/Al-STJ（産総研 CRAVITY） の
電流-電圧特性I=I(V)

I
T~0.3Kw/ B field

STJ

500pA/DIVVCSTJSTJ 素子の静電容量が比較的大きい
信号読み出し用の増幅器の設計に理解が必要
Current (nA)

••
•

40

STJ 等価回路
0緑：実測 (f=2kHz)
黒：シミュレーション-40

CSTJ=0.9nF, 1.2nF,1.5nF, 1.8nF

0.2mV/DIV

低漏れ電流 200 pA ＠ V = 0.4 mV を達成
単一光子測定ではさらに有利に-0.4

0Voltage (mV)

0.4

電流-電圧特性から静電容量を実測する手法を開発

極低温下の小信号の読み出し（低ノイズ化）が課題

SOI基板上にSTJ素子を作成

10M

Nb/Al-STJ 信号の読み出し

レーザー光 465 nm
光子数 ~10Laser
pulsetrigger

電荷積分型
Charge増幅器
sensitive（室温）pre-amp.

STJ

SOIプロセスによる P-MOS FET の電流-電圧特性
電荷積分型増幅器の要素
CSTJ

2V/DIV SOI 技術の導入

T~350m(3He sorption)

40μs/DIV

Id (A)•● 室温● 3K

L/W=1m/10m
Vd=0V, Vs=1.8V
単一光子測定には，読み出し系のノイズ低減が必要
 極低温電荷積分型増幅器の開発

Vg (V)
3 K でトランジスタとして動作特性は室温から変化 理解・simulation，増幅器の設計

ニュートリノ崩壊探索 研究成果
•

論文
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•

国際会議発表•••“Development of Superconducting Tunnel Junction detectors as a far-infrared photonby-photon spectrometer for neutrino decay search",
Y. Takeuchi et al., I2MTC, 2015 IEEE International, 551-555 (2015).
"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 to Search for Radiative decays of Cosmic Background Neutrino”,
K. Takahara et al., PoS(TIPP2014)155.
“Search for Cosmic Background Neutrino Decay”，
S. H. Kim et al., JPS Conf. Proc. 1, 013127 (2014).

"Development of Superconducting Tunnel Junction Detectors as a Far Infrared PhotonBy-Photon Spectrometer for Neutrino Decay Search",
Y. Takeuchi et al., 2015 IEEE International Instrumentation and Measurement
Technology Conference (I2MTC), Pisa, Italy, May. 11-14, 2015
"Development FD-SOI MOSFET amplifiers for integrated read-out circuit ofsuperconducting-tunnel-junction single-photon-detectors",
K. Kiuchi et al., International Workshop on SOI Pixel Detector, Sendai, Japan,
June 2-5, 2015

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

笠原
市村，奥平，金丸先崎，森内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•伊敷吾郎（助教，テニュアトラック普及定着事業）
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論文
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弦理論，行列模型，ゲージ/重力対応
数理的研究＋数値的研究 → 計算科学研究センターとの連携強化
2015/12 より CiRfSE 構成員に“Comments on Takahashi-Tanimoto’s scalar solution",
N. Ishibashi, JHEP 1502, 168 (2015).
"Infinite circumference limit of conformal field theory",
N. Ishibashi and T. Tada, J. Phys. A: Math. Theor. 48 (2015) 315402.
"Quantum Wronskian approach to gluon scattering amplitudes at strong coupling”,
Y. Hatsuda, K. Ito, Y. Satoh and J. Suzuki, JHEP 1408, 162 (2014).
“Gluon scattering amplitudes from gauge/string duality and integrability”，
Y. Satoh, Nucl. Phys. B Proc. Suppl. 251-252, 123-128 (2014).
“Non-geometric backgrounds based on topological interfaces”,
Y. Satoh and Y. Sugawara, JHEP 07 (2015) 022.
“Matrix Geometry and Coherent States”,
G. Ishiki, Phys. Rev. D 92, 046009 (2015).

国際会議発表•••"Comments on the Takahashi-Tanimoto tachyon vacuum solution",
N. Ishibashi, String field theory and related aspects VI, SFT2014, (SISSA, Trieste, Italy, July
24-August 1, 2014).
"Quantum wronskian relation and gluon scattering amplitudes at strong coupling",
Y. Satoh, Finite-size Technology in Low Dimensional Quantum System (VII), (Eotvos
University, Budapest, Hungary, June 16 - 27 , 2014).
”Scattering amplitudes in N=4 SYM and integrable models",
Y. Satoh, Amplitudes in Asia 2015 (National Taiwan University, Taipei, November 2 - 6, 2015).

素粒子構造部門の研究
拠点の session で詳細を開始

題目

氏名

所属

13:30

終了
13:50

ニュートリノ崩壊探索概要

武内 勇司

CiRfSE 素粒子構造部門

13:50

14:10

Hf-STJ 開発

武政 健一

数理物質系物理学域

14:10

14:30

SOI極低温アンプ設計

木内 健司

数理物質系物理学域

14:30

14:50

STJ較正用遠赤外光源開発浅野 千紗

福井大学工学研究科物理工学専攻

14:50

15:10

SOI-STJ4評価

先崎 蓮

数理物質科学研究科物理学専攻

15:10

15:30

CRAVITY製Nb/Al-STJ評価

森内 航也

数理物質科学研究科物理学専攻

15:30

16:00

休憩

16:00

16:20

ATLAS実験の概要

佐藤 構二

CiRfSE 素粒子構造部門

16:20

16:50

ATLAS実験におけるダイボソン共鳴事象の探索 大川 英希

CiRfSE 素粒子構造部門

16:50

17:10

ATLAS実験におけ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

17:10

17:30

ATLAS実験におけるヒッグス粒子対生成の探索渕

数理物質科学研究科物理学専攻

17:30

17:45

17:45

18:00

遼亮

HL-LHCへ向けたピクセル検出器のビームテスト
佐藤 和之
解析
HL-LHC ATLAS実験用シリコンストリップセンサー
岩渕 周平の放射線耐性評価

数理物質科学研究科物理学専攻
数理物質科学研究科物理学専攻