249■研究紹介

LHC で期待されている物理東京大学 素粒子物理国際研究センター

浅 井

祥 仁

Shoji.Asai@cern.ch
2006 年（平成 18 年）3 月 1 日
素粒子物理学の緊急かつ重大な課題は、（1）質量起源の解明、（2）標準理論を超える新しい物理の枠組みの発見、この二点に尽きる。この目的のため、LHC 計画が立てられ、人類未到の TeV 領域での素粒子現象の直接研究が 2007 年から開始される。LHC で期待される成果のうち、初期の

1.

発見の物理

に絞って今回紹介する。

はじめに –LHC 計画–

90 年代、LEP、SLC、Tevatron 実験の成果により、標準理論は非常に高い精度で検証され、力の源がゲージ対称性
であることが示された。しかしゲージ対称性のもとではす
べての素粒子の質量はゼロであり、素粒子の質量の起源は未解決な問題として残ったままである。そのもっとも有望な答えが、真空を満たすヒッグス場と自発的対称性の破れであり、その直接証拠であるヒッグス粒子の発見と研究が強く待たれている。
また標準理論は、対称性のより高い理論の低エネルギー近似であり、TeV 領域に新しい物理があることが数多くの実験事実や理論的な考察から示唆されている。特に TeV 領

図 1 LHC トンネル航空写真：左下はジュネーブ空港

域に超対称性粒子が存在すると力が大統一されることが示され、宇宙の暗黒物質のよい候補となることから、その発実験開始予定まであと一年余りとなり、加速管の設置が見への期待が高まっている。超対称性以外にも、TeV 領域

急速に進んでいる。2007 年 2 月に、設置が終了し、その後、の余剰次元や、テクニカラーモデルなど標準理論を超えた

真空引き、冷却を行い、春・夏頃からビーム・コミッショ

新しい物理の可能性がある。

ニングを開始、2007 年末から衝突実験を開始する予定であCERN は、この様な素粒子物理学の現状に鑑み、ヒッグ
ス粒子の確実な発見と質量起源の解明、および超対称性など標準理論を超える TeV 領域の新しい素粒子現象を発見するため、LHC（Large Hadron Collider）[1]の建設を進めている。

る。まずはデザインルミノシティの 1/100 で検出器のコミ
ッショニングを行う。積算ルミノシティ 100 pb−1 程度の予定である。勿論、数百 pb−1 で出来る物理の準備研究は各物
理ワーキンググループで始めている。2008 年は、デザイン
ルミノシティの 1/10 程度での実験を行い、一年程度で積算
L=10 fb−1 のデータを収集する予定である。蛇足ではあるが、LHC は、右の写真（図 1）に示す円周 27 km の地下トン

LHC は Tevatron と異なり、陽子・陽子コライダーなので、ネルに、8.4 T の強力な超伝導マグネットを隙間なく配置し、衝突頻度が反陽子のルミノシティで制限される心配はない。

7 TeV に加速した陽子と陽子を衝突させる実験である。陽

本文に示す様に、ヒッグス粒子、超対称性粒子の発見には子・陽子重心エネルギーは 14 TeV であるが、実効的な衝突

10 fb−1 のデータで十分であり、2008 年終わりから 2009 年

エネルギーはおよそ数 TeV である。これは従来のエネルギ

前半には、今ここにまとめる物理成果が期待できる。2009

ーフロンティアである LEP/Tevatron の約 10 ∼ 20 倍のエ

年以降はデザインルミノシティまで徐々に衝突頻度をあげ、ネルギーに相当するものであり、TeV 領域の新しい素粒子

最終的に現在の KEK-B と同程度の 1034 cm−2 sec−1 に達する

現象の 直接探索 が可能な正真正銘の TeV コライダーで計画である。この衝突頻度で年間 100 fb−1 のデータが蓄積さ

ある。

250
れ、そこで発見されたヒッグス、超対称性粒子の様々な性質を詳しく研究することが可能となる。

2.

ATLAS 検出器

LHC 加速器には、ATLAS と CMS の二つの汎用検出器があり、日本の研究機関は、ATLAS 検出器（図 2）に参加している。検出器の各部分の量産はほぼ終了し、現在最終組
み立てを行っている。現在の実験ホールの状況を写真（図3）に示す。写真の中央奥に見えるのがカロリメータ（EM+HAD）であり、周りをバレルトロイド磁石が囲んでいる。これから、最内部の内部飛跡検出器および外側のミューオン検出器とエンドキャップ検出器が組み込まれる予図 3 ATLAS 検出器の組み立ての現状（2006 年 2 月）

定である。

ATLAS 検出器[2]は主に三つの要素で構成されている。中央部は、シリコン（ピクセル、ストリップ）と TRT（遷移

能の概算値は、 Pt = 100GeV の粒子に対して、電子、 γ が輻射トラッカー）による飛跡検出器で、 2 T のソレノイド

1.5% 、ミューオンが 2% 、ジェットが 8 % 程度である[2]。

磁場の中で荷電粒子の運動量を精密に測定する。その外側

高い分解能を得るため 160 M チャンネルもの読み出しがには、液体アルゴンカロリメータによる電磁シャワー検出あり、しかも 25 nsec ごと（ 40 MHz ）に反応が起こるため、器が設置され、高いエネルギー・位置分解能での電子、γ の高速の読み出しエレクトロニクスの開発は不可欠だった。

検出が可能である。ハドロンカロリメータはシンチレータ

日本は、これまでエンドキャップのミューオン・トリガー

タイルで構成されている。最外部は、トロイド空心磁場にチャンバーとそのエレクトロニクスの開発・製作、ソレノ

よるミューオン検出器で構成されている。エネルギー分解

イド磁石、シリコン・ストリップの製作に貢献してきた。

図 2 ATLAS 検出器の完成予想図（高さ 22m 長さ 44 m ）251
ATLAS 実験で収集されるデータは年間約 3 ペタバイト

生成断面積をヒッグス粒子の質量の関数として図 4 に示という膨大なものであり、必要とされる計算機資源は、disk,す。質量が 100 ∼ 200GeV の場合、四つのすべての生成過

cpu ともに従来の計算機システムでは対応が不可能である。

程で観測可能な断面積である。一方 1TeV 付近と重いヒッ

そこで、世界中の参加各国が「地域解析センター」を立ち

グス粒子に対しても、グルオン・フュージョンとベクター

上げ、高速ネットワークでこれらを結び、大きな一つの計

ボソン・フュージョンの両生成過程は有意な生成断面積を算機のように扱い、解析に必要な計算機資源を賄う計画持っている。

（LHC computing GRID 計画）である。GRID 技術を用いて世界中に分散した計算機を統合し、膨大なサイズのデータを解析するシステムである。日本では東京大学で、この地域解析センターの準備を行なっている。

3.

質量起源（H ヒッグス粒子）

LHC での標準理論ヒッグス粒子の生成は、生成断面積の大きな順に以下の四つがある。

1. gg → H（gluon fusion 過程）：重心系エネルギーが 14 TeVと高いため、ヒッグスのような比較的軽い粒子は小さ目の運動量を担うパートンからの生成が可能となる。グルオン分布関数は small x 領域 で 1/ x の大きな貢献をす

図 4 ヒッグス粒子の生成断面積（NLO）[3]

るため、トップ・クォークのループを介したこの過程は生成されたヒッグス粒子はすぐに崩壊する。 140GeV よ生成断面積が大きい。

2. qq → qqH （vector boson fusion 過程）：クォークから放出された二つのゲージボソンから、ヒッグス粒子が生成されている。LHC は pp コライダーであるため、大きなり軽い場合は bb, ττ と分岐比は小さいが γγ へ崩壊する。

160GeV より重くなると、主要な崩壊モードは、WW と ZZとなる。

運動量を担うクォーク同士の反応が起こり易いため、反生成 4 過程×崩壊 5 過程の組み合わせのうち、実験初期

応断面積が大きい。またゲージ粒子を放出して反跳したの段階で有効なチャンネルをまとめると、下表（表 1）の 6クォークに起因する大きな横運動量を持つジェットが二チャンネルである。

本観測される特徴を持っている。

3. qq → (W / Z )H （ W/Z associate production 過 程 ） ：Tevatron/LEP などの粒子・反粒子コライダーで有望な生成過程である。

ヒッグス粒子が軽い場合（ < 140GeV ）、重要となるのが、（1）ベクターボソン・フュージョン過程で生成され、タウペアーに崩壊した場合と、（2）グルオン・フュージョン過程およびベクトルボソン・フュージョン過程で生成されたヒッグス粒子が 2γ に崩壊するチャンネルが最初の発

4. gg → ttH （top associate production）：対生成されたト

見チャンネルであることが期待されている。一方、ヒッグ

ップ・クォークから、 H が放出される過程であり、top

ス粒子が 140GeV より重い場合は、ZZ を介した 4 レプトン

quark の湯川結合と言う重要な情報を含んでいる。

モードと WW が主要な発見モードになる。

表 1 標準模型ヒッグス研究で有効なチャンネルのまとめ
生成過程

Gluon Fusion

Vector Boson Fusion

ttH

崩壊過程

有効な領域とその効果

H → γγ110 ∼ 140GeV

発見・質量測定 spin = 0 の傍証

H → ZZ → 4140 ∼ 1000GeV

発見・質量、spin、結合定数測定

H → ττ

110 ∼ 140GeV

発見・結合定数測定

H → WW

130 ∼ 200GeV

発見・結合定数測定

H → γγ110 ∼ 140GeV

発見・質量測定

H → bb110 ∼ 130GeV

Yt の測定252

図 5 再構成されたタウペアーの不変質量分布
左：一方のタウがハドロニック崩壊、一方がレプトニック崩壊した場合

右：ともにレプトニック崩壊した場合

灰色の分布はドレル・ヤンバックグラウンドで、 120 GeV のところのピークが信号である。

（1）ベクターボソン・フュージョン過程で生成され、タウペアーに崩壊した場合、横方向の消失運動量の情報を用いて、タウが再構成可能である。これにより、ヒッグス粒子の質量の再構成が可能であり、図 5 に示すようにドレル・
ヤン過程のバックグラウンドから分離し、ヒッグスの質量（図中では 120GeV ）の位置にきれいなピークが観測される[4]。このチャンネルの解析の鍵となるのが横方向の消失運
動量の正確な測定にある。キャリブレーションは勿論のこと、ハドロン・EM の正しい補正、物質や検出器からの漏れの補正、ノイズ、パイルアップの補正の向上などの研究課題が現在精力的に進められている。
図 6 は、積算ルミノシティ 30 fb−1 でどれだけの確度で発見が可能であるかを 、質 量 の関数 とし て 表している。

114 GeV 以下の軽い領域は LEP ですでに棄却されている。
200GeV より重い場合でも、 20σ 以上の有意な検出が可能である。この図が示す様に、このチャンネルの発見能力は、−1

図 6 標準理論ヒッグスの発見能力（ L = 30 fb−1 ）−1

L=30 fb で 5 ∼ 6σ であるが、初年度の 10 fb では、3σ 程度であり、他のチャンネル（ H → γγ ）の助けが必要である。
（2）液体アルゴン電磁カロリメータが γ 線検出を担っており、高い放射線環境でも γγ 不変質量分解能 2GeV （ for120GeV ）での測定が可能である。このため連続分布のバックグラウンドから信号のシャープなピークが分離可能である。二つの γ 線だけを要求（inclusive study）すると、2γ

われわれとアメリカグループの最近の研究で、一本、または二本の高い横運動量ジェットを要求することで発見能力が飛躍的に向上することが分かった。高い横運動量のジ
ェットを要求することで、ヒッグスの信号は、グルオン・
フュージョン生成過程の割合が減り、ベクターボソン・フュージョン過程の割合が増える。一方バックグラウンドは、
高い横運動量のジェットを要求することで効率よく抑えらのバックグラウンドが比較的大きい（図 7 左）。そこで従れ、S/N は向上する（図７右）。ベクターボソン・フュー

来は図 6 に示す様に大きな発見能力はないと思われていた

ジョン過程は、二本の高い横運動量のパートンを tree level（ 5σ に達するには L=100 fb−1 が必要）。

253

図7

2γ の不変質量

左：Inclusive 右：高い横運動量のジェットを一本要求で含んでいるので、予言の不定性が少ない。一方、グルオ量の評価法の確立よりは容易である。この様に、鍵となるン融合生成過程での高い横運動量のジェットは高次の補正

実験技術・バックグラウンドともに二つのチャンネルで大から出てくるもので、バックグラウンドも含めて更なる理

きく異なり、二つのチャンネルで同時に見えることが確実

論的な研究が必要であるが、高い S/N が期待されている。

な発見を行う上で重要な点である。

−1

L=10 fb での H → γγ の発見能力を質量の関数として、140GeV よりヒッグス粒子が重い場合は、ZZ, WW への図 8 に示す。高い横運動量を持つジェットの本数ごとに発ゲージ粒子への崩壊が主流となる。これらを介してレプト見能力を示している。どの解析も単独では 3σ 程度であるが、ン対に崩壊するモードが高い発見能力を有する。この場合三種類の解析を合わせた発見能力は、 5σ を超えている。

はレプトンの再構成が実験技術の鍵となり、図 6 が示すよ
うに、L=30 fb−1 のルミノシティで 10σ 以上の確度での発見が可能である。
H → WW に崩壊し、W がレプトンに崩壊した場合は、二つのレプトンの運動量と横方向の消失運動量（二つのニュートリノに対応）から計算される横方向質量/T P (1 − cos φ)
MT2 = 2Pが、ヒッグス粒子の質量に関係している。図 9 に横方向質量分布を示す。二つのニュートリノが存在するため、ピー
図 8 ヒッグス粒子発見能力 2γ 崩壊
まとめると、（1）は横方向消失運動量の評価とドレル・ヤン過程の理解が鍵であり、 L=10 fb−1 で 3σ の兆候が捕ら

クをなさないがヒッグスの質量をエッジとする分布（ヤコビアンピーク）が、高い S/N で観測され、発見能力は 5σ を優にこえる。
これと同時に、 H → ZZ →四つのレプトンが観測えられる。これとは独立に、 γγ を用いたチャンネル(2)でされるゴールデンチャンネルが観測される。四つのレプト

は、単独に 5σ の発見が可能である。この研究は、 γ 線の再ンの不変質量を組むときれいなピークが観測され、バック構成とジェットとの分離が実験技術の鍵であり、消失運動

グラウンドからの分離も容易である[5]。

254
トナーが存在する。もし、超対称性が完全な対称性ならば、粒子と超対称性パートナーは同じ質量を持っている。しかし、現実には超対称性パートナーは見つかっていない。これは、何らかの理由で超対称性が破れていて、結果、

超対称性パートナーが数 TeV 程度ほどの重さを持っていると考える。LEP での結合定数の精密測定の結果（図 10）、

TeV 領域に超対称性粒子が存在すると力の大統一があることが示唆された。

図9

H → WW → レプトン対崩壊の横方向質量分布

超対称性ヒッグス粒子の発見能力
超対称性が存在する場合、ヒッグス場の二重項は最低でも二つ必要であり、結果四種類のヒッグスが登場する。これ ら の ヒ ッ グ ス の 性 質 を 決 め る の が tree level で（ M A , tan β ）の二つのパラメータである[3]。 tan β は、二つのヒッグス場の真空期待値の比であり、 M A は重いヒッ
グス粒子の質量である。軽く CP 変換に対して偶のヒッグ
ス（ h ）は、その質量が 130 − 140GeV 以下であり、性質は標準理論ヒッグスに似ている。このため、 140GeV 以下の先に述べた研究がそのまま適用される。従って h は実験初期で必ず発見されることになる。

図 10 三つの力の強さのスケール依存性
TeV 領域に超対称性粒子が存在する場合と標準モデル粒子だけの二つの場合を示した。

この超対称性の破れの導入の仕方によってモデルやパラメターの自由度が残る。破れを伝える機構が重力であるモデルが、gravity mediation モデルであり、ゲージ結合
で伝搬される gauge mediation と双璧をなしている。そのう

tan β （ > 10 ）が大きくなると、重く CP 変換に対して

ち、前者は宇宙の暗黒物質のよい候補を出してくれる。一偶のヒッグス（ H ）や奇のヒッグス粒子（ A ）のダウンタ

般に、CP 位相まで入れて 120 以上のパラメータが許される

イプ・クォークへの結合が tan β に比例して大きくなり、が、

gg → bbH ,bbA （生成過程の第四番目の過程）の生成断面積て自由度を減らす。もっとも自由度が少ないのが mSugraが著しく大きくなる。 H / A は 10% の分岐比でタウペアー

model である。

へ崩壊するため、ベクターボソン・フュージョン生成過程のタウペアー崩壊の解析（図 6）が適用出来て、これを発見することが可能である。また荷電ヒッグス（ H +− ）もtan β > 10 で発見可能となり、複数種類のヒッグス粒子が観測される。一方、 tan β = 3 ∼ 8 程度の中間領域では、
M A > 200GeV の領域では、 h だけが観測される[5]。

4.

超対称性粒子の探索— 標準理論を超えて—自然界の基本粒子は、スピンの違いにより、ボーズ粒子とフェルミ粒子に大別されている。超対称性は、ボーズ粒

もっともらしい仮定（主観が入る話だが）を入れ

mSugra の特徴を整理してみる[6]。GUT スケールですべての「スカラー粒子の質量 m 0 」、「ゲージーノの質量 m1/ 2 」
を自由パラメ-ターにして、TeV 領域まで繰り込み群方程式でのばす。図 11 がその様子を示したものである。ヒッグスは、真空期待値（負の mass）を持つよう「Higgsino mixingの μ 」の値は符号の自由度を除いて決まる。これ以外には、第三世代に主に影響を与える「スカラーの三点結合定
数 A」と「ヒッグス場の真空期待値の比 tan β 」が自由なパラメータである。図 11 に示す様に、強い相互作用をする粒子は重くなる。また弱い相互作用をする粒子も、しない粒子より若干重くなる。

子とフェルミ粒子とを交換するもっとも基本的な対称性でLHC での超対称性生成過程と崩壊過程を整理する[6]。陽あり、超対称性理論では、スピンが 1/2 違う超対称性パー子はクォークとグルオンで主に構成されているので、強い255
まずスカラークォークとグルイーノが生成され、そのう
ちの重い方は軽い状態へ強い相互作用を通して崩壊する。
続けて、大きな横運動量をもったジェットを放出して電弱ゲージーノへ崩壊する。これから、ジェットやレプトンが放出され、最終的には、一番軽い超対称性粒子（ニュート
ラリノ）が運動量をもって逃げる。
図 13 にシミュレーションした事象例を示す。超対称性事
象の特徴は、（1）大きな横方向消失運動量、（2）高い横運動量をもった複数のジェット、（3）時々レプトンを含むと言った特徴的なものである。

図 11 超対称性粒子質量のスケール依存性
相互作用を通して、スカラー・クォークとグルイーノが生成される。これが LHC での超対称性粒子の主要生成過程である。これらは、ただの強い相互作用であるので、スカラー・クォークとグルイーノの質量以外あまりモデルに依存しない。また、強い相互作用なので生成断面積は大きい。
これらの質量が 1TeV の時 、生成断面積は 3 pb である。これは、L=10 fb−1 の初年度で三万事象も生成されることを意味している。質量が 2 TeV の場合でも生成断面積は 20 fb と十分大きい。
スカラー・クォークとグルイーノは、運動学的に可能なら強い相互作用を通して二体に崩壊する。これが不可能な
ら電弱相互作用で二ないし三体に崩壊する。この結果出てきた電弱ゲージーノは二つのフェルミオンと一番軽いニュートラリーノに崩壊する。一番軽いニュートラリーノは安定であり、検出器を反応せずに通り抜ける。
これらのカスケード崩壊の様子を、おおざっぱに模式的に書くと、図 12 になる。

図 13 シミュレートした超対称性事象
一方、バックグラウンドとなるのが、W / Z + ジェット、
トップ・クォークペア生成、マルチ・ジェット生成過程である。標準的な超対称性事象選択を要求した後の信号とバックグラウンドの分布を図 14 に示す。ともに、分布の横軸
は、横方向消失運動量とジェット 4 本の横運動量のスカラー和である。ハッチのついたヒストグラムがバックグラウ
ンドの合計であり、実線が超対称性信号（スカラークォー
クとグルイーノの質量が 1TeV の場合）を示す。図 14 左図のレプトンがない場合は、信号の統計が多い反面、バックグラウンドも厳しい。一方、レプトンを一本要求すると、
図 14 右図の様に、大部分のバックグラウンドは抑えることが可能となり、クリアーに信号を捕らえることが可能である。これらのバックグラウンドの詳細な研究はわれわれが世界に先駆けておこなったものである。
実験技術で重要となるのは、横方向消失エネルギーの評

図 12 カスケード崩壊の模式図

価、高い（TeV）領域での検出器のキャリブレーション、
実験データを用いたバックグラウンド評価と、トリガーで

256

図 14 Effective Mass（消失横運動量とジェット４本の横運動量のスカラー和）分布
左：レプトンがない場合

右：レプトン一つある場合ともに無色のヒストグラムはスカラークォークとグルイーノの質量が 1TeV の信号、

ハッチのついたヒストグラムがバックグラウンド（内訳は、○が top、△がＷ、▽がＺ、□がＱＣＤ）。

ある。現在のバックグラウンド研究は leading order のジェ

こうして発見された事象が超対称性起源であることを証

ネレーターを用いた研究であるため、スケール依存性が大明することも極めて重要な仕事である。mSugra が正しいモ

きい。実験開始後は、バックグラウンドをシミュレーショ

デルなら（信じている人は天然記念物ですが）、カスケーンを用いて評価することはない。実験データを用いた評価

ド崩壊の各過程で放出される粒子の運動学的な end pointが必要となる。超対称性事象の寄与の少ない、低い横運動

から、スピンや粒子の質量を決定することが出来る。しか量ジェットや小さい横方向消失エネルギー領域で評価した

し mSugra を超えて、より一般的な研究となると、LHC でバックグラウンドを、高い領域へ外挿する手法を用いる。

はなかなか難しく、系統的な研究が待たれる。

従って分布の形の研究が重要である。また、レプトンを含まない事象のトリガーは一般にハドロンコライダーでは難しい。カロリメータ情報を用いて、高い横運動量のジェッ
トが複数存在する場合（multijet-trigger）や大きな横方向消失エネルギーがあった場合（missing Et trigger）のトリガーの開発が必要である。
超対称性粒子の発見能力を図 15 に示す。横軸、縦軸はmSigra のパラメータであり、対応するグルイーノとスカラ
ー・クォークの質量を等高線で加えてある。これらの質量が 2 TeV 以下の場合、 L=10 fb−1 で 5σ 発見が可能である。
結合定数の統一が示唆したように、超対称性粒子は数 TeV
以下の領域に存在すると考えられている。また、理論の「自然さ」と言う点からも、この領域に存在すると考えられている。
この発見能力は、モデルの細かな点には依存しない。発見で重要になるのは、第 0 近似で、スカラー・クォークとグルイーノの質量（これが生成断面積を決める）とこれらとの粒子とミッシングの原因である、一番軽いニュートラ

No EWSB

リーノとの質量差である。この二つが発見にとって大切なパラメータである。
第一次近似としては、レプトンを含む崩壊分岐の割合（バックグラウンドが変わる）と図 12 に示したカスケードの段数である。これらはモデルや m 0 、 m1/ 2 以外のパラメータにも依存する。

図 15 超対称性粒子の発見能力

257

5.

∼ nb(M =2 TeV) と大きく、LHC では、余剰次元が 6 TeV よ量子重力や余剰次元空間

り低いエネルギーにコンパクト化されている場合は発見が重力の強さのスケールがプランク・スケールであり、電可能である[8]。これらはわれわれが示した結果である。た弱対称性の破れのスケールと 17 桁も異なることが、重力まだ、古典的な扱いしかしていないため、生成断面積の計算で含めた統一で大きな問題（階層問題）となる。この問題に量子力学的な効果を入れたり、黒色輻射からのズレなどを解決する一つの方法は超対称性である。超対称性はトッ

理論的な研究がまだまだ必要である[8]。

プの湯川結合により、自然に電弱対称性の破れのスケールを作ると同時に、高次補正の発散をスピンの違いで絶妙にキャンセルしている。
これと異なる立場で、物理の唯一のスケールが、電弱対称性が破れのスケールだけであり、プランク・スケールは幻想に過ぎないと言う考え方[7]がある（「階層」などがもともとない）。われわれの世界が四次元でなくて、もっと高い次元（余剰次元）で構成され、この余った次元が小さくコンパクト化している。スピン 0 や 1/2 の粒子は、四次元の面から離れることは出来ないが、重力（スピン 2）は、四次元以外にこの小さくコンパクト化空間も含めて自由に伝搬しているため、重力が他の力と比べて小さく見えるというシナリオである。電弱理論のエネルギースケールより少し高い TeV 領域で空間がコンパクト化されている場合、

TeV コライダーである LHC で今までの素粒子物理では考えられない面白い現象が起きる。高いエネルギーをもったパートン同士が、コンパクト化した空間より小さなインパ
クトパラメータで衝突すると、重力が他の相互作用と同程
図 16 シミュレートしたブラックホール事象

度に大きな力として働き、重力の効果が直接観測出来る。
このうち、ミニブラックホールとグラビトン放射について
今回まとめる。

5-1

5-2

さらに TeV 領域では、重力も他の力同様の結合強度をもブラックホール

つことになるため、グラビトンを含む素粒子反応が日常の重力が結構強い力であるため、天体的な質量でしか意味をなさなかったシュバルツシルト半径 RS が、
1

RS =グラビトンの放射⎡⎛ ⎛ n + 3 ⎞⎞⎟⎤ 1+n⎜ 8Γ ⎜⎟⎟⎥⎢⎜
1 ⎢ M BH ⎜⎜ ⎜⎝ 2 ⎠⎟⎟⎟⎟⎥⎟⎟⎥⎢⎜
πM P ⎢ M P ⎜⎜ n + 2 ⎟⎟⎥
⎟
⎜⎜
⎢
⎝
⎠⎟⎥⎦⎥
⎣⎢

（ M P が TeV オーダーの余剰次元のスケール、様に観測される。生成されたグラビトンは検出を逃れるた
め、大きなミッシングエネルギーとして観測される。

gg → gG は断面積が大きく、モノジェットとして観測され、この場合も数 TeV までの余剰次元を探ることが出来る。
────────────
標準理論を超える「TeV 領域の物理」を直接探索するこ

n が余剰次元、 M BH が質量）とが可能である。具体的に述べたヒッグス粒子、超対称性

LHC のエネルギー程度で有限となり、これより小さなイ

粒子や余剰次元の研究のみならず、階層問題を解決するた

ンパクトパラメータでパートンが衝突すると、ブラックホめ最近提唱されたリトルヒッグスモデルや、さらにはールが生成される。図 16 は、ブラックホールが生成され、EWSB を説明するためのヒッグスレスモデルといった様々

ホーキング輻射で崩壊した時の予想図である。高いエネルな新しい理論も LHC 実験でどのような観測が可能である

ギーをもった粒子が複数観測される（multiplicity が高い）

か精力的に研究されている。

特徴的な信号である。粒子のフレーバーについても平等なLHC は、TeV 領域の新しい物理に対して大きなポテンシ

点が特徴である。このため、バックグラウンドは少なく、ャルを有し、2007 年の実験開始が新しい物理の扉を開くも発見が容易である。また、生成断面積も pb(M =8 TeV)のと思われる。

258

参考文献[1] LHC 計画についての一般的な資料：
http://lhc-machine-outreach.web.cern.ch/lhc-machine-outreach/[2] ATLAS 検出器の資料：
http://atlas.web.cern.ch/Atlas/internal/tdr.html
若手向けに各検出器をまとめた資料：

http://www.icepp.s.u-tokyo.ac.jp/~asai/lhcwg/Main.html
検出器のパフォーマンス：

http://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/PHYSICS/TDR/access.htmlの中の TDR Vol. 1。

[3] M. Spira and P. Zerwas, hep-ph/9803257.
[4] S. Asai et al., Eur. Phys. J. C32S2 (2004) 19-54.
少し古い結果は、 [2]の TDR Vol. 2 第 19 章。

[5] Hadron Collider での Higgs レビュー：
V.Boscher and K.Jakobs, Int. J. Mod. Phys. A20 (2005)
2523-2602.
[6] 手前味噌ですが、筆者による LHC での超対称性研究の連続講義「LHC の為の SUSY 講座」の PDF ファイル：

http://www.icepp.s.u-tokyo.ac.jp/~asai/Lecture/[7] N. Arkani-Hamed et al., Phys. Lett. B429 (1998) 263,
L.Radall and R. Sundrum, Phys. Rev. Lett. 83 (1999)
4690.
[8] J. Tanaka et al., Eur. Phys. J. C41 (2005) 19-33,
C. M. Harris et al., JHEP 0505 (2005) 053.