254■研究紹介

HERA 実験の概要と最近の成果
電子・陽子衝突実験の軌跡
KEK 素粒子原子核研究所

山 田

作 衛

sakue.yamada@kek.jp
2009 年（平成 21 年）1 月 31 日

1.

はじめに

要素であり，原子番号は陽子の数で決まるから，電子の数

2007 年 6 月末に HERA は運転を停止した。実験グループが決め手となっている物質の多様性の根底に，実は陽子がメンバーの大半がホールの前に集まり，スクリーンを見守あるといってもよい。長いこと素粒子のひとつとしてリス

る中，ビームモニターのグラフが落ちた。現在もデータ解トされていたが，陽子が本当の素粒子ではなく内部構造を

析は継続しているが，測定器の解体作業は既にほぼ完了し持っているヒントは，
すでに前世紀の前半に分かっていた。

た。データ取得開始から数えても 16 年が経ち，建設を含め素粒子研究がすなわち陽子構造の研究だった歴史は長い。

ると 20 年に及び，参加者の顔ぶれもかなり変わった。

最初の手がかりは 1930 年代の陽子の異常磁気能率の測定

この区切りに HERA 実験を振り返ってみる。測定器の紹である。HERA の建設が始まった頃，当時の DESY 所長ゾ介と HERA 改造の詳細，当初の物理の結果は，過去にも本ルゲル教授から聞いた話であるが，その昔 W. パウリはコ誌に書かれているので[1,2]，それも参考にしていただくとペンハーゲン訪問の道すがら，ハンブルグ大学に講座のなして，若い読者も多いことを念頭に，ここでは少し広い観い客員教授として在任し，スピンの大家シュテルンと親交

点から書いてみたい。まず，世界で初めての電子（陽電子）・があった。シュテルンの「陽子の磁気能率や如何」との問

陽子衝突が多様な高ネルギー実験の発展の過程で占める位に，パウリの答えは簡明で，「電子のボーア磁子の式で，電置を述べた上で，最新の解析結果を紹介する。

子質量の代わりに陽子質量を入れるだけの簡単なことさ」

電子（陽電子）は典型的なレプトン，一方陽子は典型的であったそうだ。「そんな自明のことを訊くな」というようなハドロンであり，強・電・弱すべての相互作用が関与すな答えに，ならば本当かどうかやってみようと実際に測定る。HERA のエネルギー（重心系で 314 GeV ，最大の Q はしたのは，シュテルンの実験家としての面目躍如である。

105 GeV2 ）は電弱統一エネルギーを凌駕したので，QCD，

結果はパウリの予測とまったくかけ離れていた。いくら卓

電弱相互作用，核子構造，標準模型を超える物理の探索な越した理論家の予言でも，やはり実験家は実験で確かめよ，ど，幅広い研究で，新しい領域が開かれた。終わってみるということだろう。答えを聞いたパウリの反応はどうだっと，実験前にはもしやと期待した標準模型を覆すような結

たろうか。

2

果はなかった。しかし逆に，これまでにない高い Q 2 領域でさらに，第二次大戦後にアメリカで GeV 領域の加速器が標準模型の正しさを確認できたし，陽子の基本的な構造を稼働すると，H. L. アンダーソン，E. フェルミ，J. シュタイ

詳細に測定できた。本稿では触れないが，回折事象が高頻ンバーガーたちによる π p 弾性散乱で，有名な(3,3)共鳴をは度で起こったのは予想外であり，謎に満ちたポメロンの本じめとする核子共鳴が次々と見つかった。共鳴状態はまさ

質を探るなど，回折現象の解明も進んだ。HERA で得られに内部構造の反映だから，分光学的な陽子構造の研究が素た結果は, LHC での次世代の実験への寄与をはじめ，今後

粒子物理の中心課題として発展した。もう一つの手法は電いろいろな場面で，素粒子物理の基本的な知見として役立子の弾性散乱による形状因子の測定である。スタンフォー

つであろう。

ド大のホッフシュタッターグループの実験で，平均的な荷電半径が分かり，陽子が光子に結合する際に介在すると想

2.

歴史的背景

定されたベクトル中間子の質量が明らかになった。泡箱な

少し物語的になるが，まずは歴史をたどってみよう。陽どによる分光学実験では，引き続き多くのバリオン共鳴や，子は水素の原子核だが，簡単にイオン化されるので，粒子形状因子から予測された質量のベクトル中間子，その他多物理以外では陽子とは呼ばすに水素イオンと呼ばれる。光

くの中間子共鳴が見つかって，ハドロンの総数は一挙に増合成や燃料電池などで分かるように，生物・化学反応で水大した。

素イオンの果たす役割は大きく，自然界で重要な存在であ1960 年代には，増えすぎてとても素粒子とは呼べなくなっる。粒子物理でも，陽子は中性子と対をなす原子核の構成たハドロンが，坂田模型に端を発する SU(3) 対称性によっ255て整理され，その基本粒子としてクォークを想定したハドクォークそのものの存在を納得させるものだった。それにロンのクォーク模型が作られた。(3,3)共鳴の統計的整合性

続く電子・陽電子衝突のハドロン生成全断面積の測定は Rを回復するために，南部先生によるカラーの自由度の導入

値（ミュー粒子対生成断面積との比）の階段状の増加を示もあった。ただし，クォーク自体は半端な電荷を持った奇し，その値はカラー自由度を含めたクォークパートン模型

妙な粒子だし，いろいろな探索実験でも見つからなかったと完全に一致したし，SPEAR のエネルギーとともに生成ハから，提唱者を含めて実体のある粒子と考える人はいなかっ

ドロンが球対称からずれ始めるというジェット解析も，電た。

子・陽電子反応で生じるハドロンがまずクォーク対である

しかし，まず MIT-SLAC グループの行った電子・陽子の非弾性散乱が，陽子構造の研究に新しい展開をもたらした。
2とのクォークパートン模型の考えを支持した。私事であるが，さらにエネルギーの高い PETRA の JADE 実験で見たQ が大きい領域でも散乱断面積が減らない，いわゆる深非

最初のハドロン生成事象は忘れられない。それまで見たこ

弾性散乱を理解するため，ファインマンのパートン模型がとのない明らかなペンシル状のジェット対を目の当たりに提案された。それに沿って核子の構造関数が考察され，ブして，強い印象でクォークを実感した。

ヨルケンのスケーリング則，いろいろな和則など多くの理

決定的な QCD の確認は，グルーオン放出に由来する 3論的発展もあった。ブヨルケン変数 x で見るとき，構造関

ジェットの観測であり，さらにその頻度から得られる QCD

数が SLAC-MIT 実験の比較的狭いエネルギー範囲では，予結合定数の測定だった。後にトリスタンでは 4 ジェットも想通りスケールしていることも確かめられた。また，パー観測され，3 グルーオン結合も確認されている。これらのトンの運動量の総和が核子の運動量の半分であること，

実験では，電子・陽電子衝突の全エネルギーをクリーンなSU(3) 対称性で導入された半端電荷のクォークをパートン

終状態に導く特徴が功を奏した。

と見なすと構造関数が説明できることも明らかとなり，

こうした発展と並行して，本来の電子・陽子反応で QCDクォークがパートン の実 体 である と判 明 した。 後に，の研究を進めようとする動きは早くからあり，ビーム衝突

MIT-SLAC 実験の J. フリードマン，H. ケンドール，R. テ

で反応エネルギーを上げる電子・陽子衝突装置の計画が，イラー三教授がノーベル賞を受けている。深非弾性散乱のすでに 1970 年代からいくつか提案されていた。しかし，根底にある漸近的自由については QCD で説明でき（これHERA に至るまで実現したものはなかった。HERA は 1977を解決した三人の理論家 D. グロス，H. ポリッツァー，F. ヴィ

年に公表された Llewellyn-Smith and Wiik の提案論文を契ルチェックも，後にノーベル賞を受けている），クォークが機に ECFA で議論が始まり，1981 年に HERA の提案書が担っていない残りの運動量をグルーオンが担っていると考作られた。ドイツ政府の「国際協力が得られることを条件

えるとつじつまが合った。

に，認める」との決定で，1984 年 4 月に正式に建設の調印

深非弾性散乱実験は電子のみでなく，他のレプトン，すなわちミュオンやニュートリノを用いても可能である。加が行われ，間もなく建設が始まった（表）。当時のドイツは
不況で，この決定は景気刺激策の一つでもあった。

速器実験では，ハドロン崩壊で作られるこれらの粒子の方が，電子よりも高エネルギーのビームを実現でき，100 GeV

表HERA の歴史─────────────────────────────

領域のレプトンを使えたから，1970 年代になると運動学的1981 年 7 月：

計画の提案

な変数の領域が拡大した。その結果，スケーリング則の破1984 年 4 月：

建設の承認と工事開始

れが観測され，QCD で期待される発展関数（当初はアルタ

1987 年 8 月：

トンネル完成レーリ・パリジ方程式）で構造関数の Q 2 依存性が導かれ，

1988 年 8 月：

電子ビーム蓄積

間接的にではあるが QCD の妥当性とグルーオンの役割が1990 年 11 月： HERA 完成

確かめられた。その上，ニュートリノでは弱い相互作用で1991 年 4 月：

陽子ビーム蓄積

反応が起こるので，クォークと反クォークを区別するなど

1991 年 10 月 19 日：

別の切り口で測定できたし，ミュオンの場合にはスピン偏1992 年 10 月： H1 と ZEUS グループによる測定開始

極ビームも可能だったから，深非弾性散乱の舞台は，ハドロン加速器に移った。弱反応を用いた実験でも，パートン
はクォークと同定された。さらに，ニュートリノ散乱では最初の電子・陽子衝突1995 年：HERMES グループのコミッショニング

1996 年：HERA-B グループのコミッショニング─────────────────────────────

中性流反応が発見されて，電弱相互作用統一への重要な証

わが国の TRISTAN 計画では，当初電子・陽電子・陽子

明となり，中性流弱結合の強さから電弱混合比も測定されの 3 リングが想定され，電子・陽子衝突も主要なオプショた。

ンの一つだった。だが，異種粒子の非対称エネルギー衝突

こうした展開に並行して，1974 年の J / ψ 粒子の発見に続は技術的に困難が予想され，世界にはその前例もない。ビー

くチャーム粒子の確認は，単に 4 番目のクォークではなく，

ム衝突型加速器の経験なしに当初から電子・陽子衝突に挑

256
むのは無謀だろうとの考察から，第 1 期では電子・陽電子

HERA 建設は 1990 年に終わり，ビームの立ち上げ試験の衝突のトリスタン，その後第 2 期に電子・陽子に取り組む

後，1992 年に史上最初のep 衝突が観測された（写真）。実ことになった。しかし，HERA 建設が認められたところで，

験は H1 と ZEUS の電子（陽電子）・陽子衝突の他に，陽子それよりもエネルギーの低い当初の TRISTAN 第 2 期計画

ビーム中の固定標的の HERA-B，偏極電子ビームと偏極ガは中止された。ではあるが，電子・陽子衝突の検討に，日ス標的の HERMES の二つの静止標的実験が，すべて並行

本でも錚々たるメンバーの貢献があったことは注目に値すしておこなわれた。

る[3]。トリスタン第 2 期計画を B ファクトリーに変更し，
今日の成功につながったことは周知の通りである。

3.

HERA の建設と改造

HERA の建設には，いわゆる HERA 方式と呼ばれる国際協力があった。建設地が DESY だから当然であるが，建設予算（1981 年当時の金額で 654 M マルク）の 3 分の 2 はドイツ連邦政府とハンブルグ州（両者の分担比は 9 : 1 ）が担い，残りをアメリカ，イタリア，イスラエル，オランダ，
カナダ，フランスの 6 ヵ国が in-kind で提供した。その際，協力協定は政府間ではなく，DESY と各国の当該研究所が約束を交わす形を取り，それぞれの研究所がその国の政府から協定実施の予算を得た。協力国の中でもイタリアの貢献が大きく，陽子用超伝導双極磁石の半数を受け持った。
これには，超伝導技術を国内企業に根付かせようとする同国の希望もあり，ドイツ国内で建設されたものと同じ仕様

写真

史上初の ep 衝突を観測し，グラスを合わせる陽子リング責
任者の B. ウイーク（左）と電子リング責任者の G. フォス（右）を囲んで祝杯を上げる関係者たち

フォス教授は長年 KEK の LCPAC 委員を務め，TRISTAN，KEKBに対して多くの貢献があった。

の超伝導磁石がイタリアでも量産されるよう，技術導入がHERA は 8 年間のデータ取得運転の後，1 年余の改造でなされたそうだ。加速器要素を分担した国の他にも，イギ

HERA-II となった。ルミノシティが増強され，併せて電子

リス，スイス，中国，チェコスロバキア（当時），ポーランの偏極を軌道面に垂直なものから進行方向に回転し，衝突

ドなどが人材を派遣した。

後はまた元に戻すスピン・ローテイターと呼ばれる磁石系

建設には約 6 年を要した。加速器サイトがほとんど DESY

が両衝突実験用にも設置された[2]。この磁石系は，HERA-Iの敷地の外に広がっているのは注目に値する。LEP/LHCの時代にも固定偏極標的の HERMES 実験のために導入さでもそうだが，そのトンネルは地下 100 メートルの深さでれ，機能は実証済みだった。レーザーコンプトン散乱を用ある。一方，HERA の深さは比較的浅く約 20 メートルしかいて偏極度をモニターする手法もすべての実験グループのない。DESY の研究棟などの下も通っているが，外の住宅協力で開発されていた。ZEUS からは東京都立大のチーム

地の下も通過している。ビームの上 20 ∼ 30 メートルで市もこれに参加した。改造後の HERA のコミッション時には民が生活しているなどとは，わが国では考えられない状況

真空が上がらないという問題（一部は放射光によるエレクである。もちろん法的な制約も違うけれど，住宅地近くにトロンクラウドが原因）があって，実験を再開するまで 1立地している DESY の周辺住民への配慮は大層きめ細かい。

年を要したが，ルミノシティは次第に向上し，HERA-I，

当然ながら，建設に先立っての説明会も入念におこなわれ

HERA-II を通じて運転終了までに ZEUS は積分ルミノシ

たとのことだ。

ティ 570 / pb を集積した（図 1）。H1 もほぼ同じ量のデータ

話は少しずれるが，目下建設中の自由電子レーザーの超を得た。偏極実験では，右手系と左手系の両方の運転を電伝導電子加速器 XFEL も，同じように敷地から外に伸びて子ビームと陽電子ビームのそれぞれで行うので，都合 4 種いる。住宅地や牧場の下を通るが，周辺からは苦情や反対の組み合わせで，それぞれほぼ同量のデータを取るよう実運動はなく，逆に歓迎されているようだ。こうした友好的

験がおこなわれた。ルミノシティを稼ぎ，かつバックグラ

関係を築くため，日頃の DESY の努力も大きい。見学は常ウンドを押さえるビームオプティックスでは，偏極度は理時可能で，高校生も頻繁に訪れるし，低学年の子供たち向論的に予想される最高値には届かなかったが，それでも 30

けの簡単な体験施設も整備されている。職員の来ない週末

ないし 40% の偏極が得られ，荷電流弱相互作用の偏極依存など，近隣の人たちが勤務時間外用のカフェテリアまでブを測定するという初期の目的は達成した。
偏極レーザービー

ランチを楽しみに来る。

ムを用いた逆コンプトン散乱によって，偏極度は常時測定され，刻々変化するルミノシティとともに記録された。

257のスケーリングの破れから予想される FL と矛盾のないものである。驚くような結果ではなく，限られたデータ量のために統計精度もよくないが，直接観測で全体像にうまく収まる結果が出たのは，QCD にとって朗報である。ジグゾー
パズルで，最後のピースをぴたりと納めたときの感覚のよ
うな感じといえよう。HERA 最後の実験としては新しい領域の難しい解析で，日本の院生が活躍したのは喜ばしい。

5.

ZEUS と H1 の合同解析

二つの衝突実験 H1 と ZEUS の測定器，ことにカロリー
メータ，は異なったアイデアで設計されている。HERA 実
験では，荷電流弱反応の際，終状態に高エネルギーニュー
トリノが生成するため，事象の再構成には生成ハドロンの
図1

HERA の集積ルミノシティの時間変化

エネルギーを正確に測定する必要がある。ニュートリノ実
験とは逆にビームの方はよく分かっているが，測定器の性4.

縦成分構造関数 FL の測定能が要求される点は同じである。その際，電磁用・ハドロ

建設時の目的をほぼ達成した後，HERA は当初の計画にン用の両方のカロリーメータが重要となる。両グループとなかった低いエネルギーでの運転をおこなった。電子・陽も設計段階から最高の性能を目指した。ただし手段は違い，子衝突のエネルギーフロンティアを目指した目的からは離H1 は液体アルゴンを用いたのに対して，ZEUS は劣化ウラれるが，運転終了・シャットダウンの予定が議論された際，ンとプラスティック・シンチレータの積層型を選択した。

最後の半年ほどを使って FL の直接測定をしようと H1 とハドロン用カロリーメータの精度を上げるためには，シャZEUS の両実験チームが合意した。 FL はグルーオンの寄与

ワー中の電磁成分とハドロン成分の出力を等しくする必要によって現れる構造関数で，グルーオン分布を反映する。

がある。H1 は読み出しを細かくして，ソフトウェアでハド

2測るには Q ，x の値が同じで，非弾性度 y の異なるデータ
2

ロンシャワーに含まれる電磁シャワーを識別し，ハドロンを組み合わせる（微分断面積 d σ / dQ ⋅ dx の FL の項には y成分と電磁成分それぞれの換算係数を用いて精度を上げ，の関数が係数として入っているので，y を変えると FL の効

1GeV ハドロンに対して分解能約 40% を達成した。一方，果が変化する）。そのためには，
ビームエネルギーの違うデー

ZEUS のハドロンカロリメータは，スポレーションで劣化

2

タが必要である。Q と x を同じにするには従来の F2 の観測

ウランが発する中性子をプラスティック・シンチレータでに現れた y に比べて，大きな y の領域を観測することにな

捕らえることによって（シンチレータ中での中性子・陽子

る。すなわち散乱角の範囲を微小角まで広げ，低エネルギー散乱が効く），ハドロン成分が核反応を起こす際に必要な原の散乱電子を捕らえなければならないが，もともと狙って子核の結合エネルギー分を補償する，いわゆる補償型カロいなかった領域のため，測定器はその部分で完璧ではない。

リーメータである。ハドロンに対して 1GeV で 35% 程度の既存の検出器の性能を確認して，測定領域を広げる必要が分解能を実現した。

あった。新しい範囲をカバーするトリガー条件も改めて設両チームが競争しつつ進めた十数年に及ぶ実験で，統計定した。また，その領域では光反応に由来するバックグラ

誤差の範囲で概ね一致する結果を得たが，統計上は有意とウンドも増加すると分かっていた。大角度領域とは違い，いうほどではない程度の，違った兆候を示す事例も多い。

ガンマ線に由来する対生成電子の識別や光反応の除去が一

たとえば，一時話題となった欠損横向き運動量を伴う高エ層深刻な問題となる。光反応を起こしてエネルギーを失っ

ネルギーレプトン事象の超過などである。H1 が観測したよ

た電子を検出するための後方測定器（ビームライン方向のうな超過は ZEUS では見られなかった[4]。また，議論を引

電子タッガー）を用いて他の測定器で誤認される電子の頻き起こしたペンタクォーク関連のデータについても，ZEUS

度を検討し，さらにバックグラウンド用モンテカルロを実が見たチャンネルは H1 では見られず，逆に H1 の観測した

験的に確かめた上で，バックグラウンド見積もりの確度をような事象は ZEUS では見られていない。いずれのケース

高めた。

でも，相互に確認しあうことにより事象の信憑性を判断で陽子エネルギーを 460GeV と 575GeV に下げて，それぞきた。二つの実験が競合する意義の一つである。

れ 14 / pb と 7 / pb のデータを集積した。この解析には東大実験の終盤になって，DESY 首脳陣から，さらに一歩をの院生清水志真さんがあたり，上述の新しい課題に挑んで，進めて両者のデータを統合して解析するよう勧められ，H1

初めての FL データの抽出に貢献した。結果は陽子構造関数と ZEUS は合同解析のチームを作った。首脳陣の LEP での258
4 実験のデータ統合の経験に基づいてであろうが，LEP のを見る限り，HERA のエネルギーで到達できる範囲の x 値

4 実験の場合よりも少ないし，個々の特性を重んずる HERA

では未だ飽和に達していない。

の両チームにとっては，これは容易なことではなく，共同

いろいろな QCD 反応を総合した pdf のフィットも大幅に解析に合意するまでにはやはり時間がかかった。手法の上改善された。ZEUS と H1 のグループの結果と対比させて，でも簡単ではない。度重なる強い指導の結果，共同作業が

図 3 に例を示す。不定性がかなり改善されている。将来 LHC

構造関数，回折事象，ジェット解析，レプトン事象など，で予想される反応の推定に非常に有用なデータである。た合計 7 テーマについて別々におこなわれ，検討が進められとえば W 中間子生成の断面積を推定する際，推定精度が改た。最近はその結果が報告されて，従来個々の実験結果に善される様子を図 4 に示す。HERA のデータなしの場合に見られた誤差が改善されており，共同作業は成功した。こ比べると，HERA のデータで予想値の不定性は半分以下にとに QCD フィットで改善がはっきりしていて，この結果

なり，合同データを用いることによって，特にラピディティに基づいて DGLAP 発展方程式で LHC 領域の構造関数を計の中央部に生ずる W 中間子についてさらに大幅な改善が見算すると，たとえば LHC におけるグルーオンに由来する事られる。陽子の基本的構造が判明していることは，LHC で象頻度の予測幅が一層確実になる。

新現象を探すために不可欠かつ有力な要素である。

────────────
以下に，おもに陽子構造，電弱相互作用の検証に関して，
合同解析の結果を中心に最新の結果を紹介する。

6.

陽子構造

広い範囲の Q 2 と Bjorken 変数 x にわたって測定された。
最新の構造関数 F2 の Q 2 依存性を，いろいろの x 値について
図 2 に示す。見て取れるように，低エネルギーでの固定標的実験の結果も含め，きれいな陽子構造の全体像が得られ

図3

左図は H1 と ZEUS のデータを用いた pdf フィット，右図は両実験のデータをまとめておこなった pdf フィットの結果た。小さな x の領域では急速な増加が見られる。実験開始
当初に観測されたとき，これは意外と受け取られた。x 分布
は陽子中のパートンの比運動量分布に相当するので，運動量には陽子サイズで決まる不確定性原理による下限がある
はずで，どこかで飽和するものと期待され，HERA でその兆しが現れるかも知れないと考えられていたためだ。図

図 4 LHC での W 中間子生成断面積の予想
HERA のデータで大幅に精度が上がる。

7.

電弱相互作用HERA のエネルギーは Q 2 の低いところから 104 GeV2 を越える範囲を覆っているので，電弱相互作用の検証には最適である。反応断面積の詳細は[5]を参照されたい。図 5 に荷電流反応，中性流反応の断面積の Q 2 依存性を示す。中性
流反応は低い Q 2 ではガンマ線交換が圧倒的に効くから，電子・陽子と陽電子・陽子の間に差はなく Q 4 に比例して減少
するが，104 GeV2 辺りでは光子交換と Z 中間子交換の干渉が顕著となり，レプトン電荷により断面積に差が現れる。
一方，この差はパリティ非保存の構造関数 F3 にも依存する。
荷電流反応は W 中間子の交換で生ずるから， Q 2 の小さい
図2

HERA-I データの ZEUS と H1 陽子構造の合同解析の結果

Bjorken 変数 x の値によってスケーリングの破れ方が違うが，QCDの予想通りである。

ところではその質量効果で断面積は小さく（弱い相互作用と呼ばれる所以である） Q 2 依存性は少ないが， Q 2 が増え

259
線を外挿して右手系電子あるいは左手系陽電子の断面積をみるとゼロとなり，左手系電子と右手系陽電子のみが反応していることは明らかだ。エネルギーが 100GeV を超えているところで，荷電流弱相互作用のカイラリティがはっきりと確かめられた。この解析では，当時院生だった日本グ
ループの片岡真由子さん，梶裕志君が活躍した。H1 グルー
プは右手系 W 中間子の質量の制限として 208 GeV(95%CL)を得た。この制限は右手系に属するニュートリノが 数 GeV程度の質量を持っていても変わらない。

8.

中性流弱反応観測による xF3 の測定とパリティ非保存

電子と陽電子の非偏極中性流弱反応断面積の違いは，構造関数 F3 の寄与によるから，差を取ると F2 の分は相殺され，
F3 を抽出できる。F3 はクォーク分布と反クォーク分布の差
図5で表されるので，ヴァレンスクォークの分布関数と，もし中性流反応と荷電流反応による電子（陽電子）・陽子
散乱断面積の Q 2 依存性も海クォークと海反クォークの分布に違いがあればその差4

るとその効果が出始め，断面積はさらに減少して，10 GeV

2では中性流反応と同じように振る舞う。図はまさに Q 2 の関数として電弱相互作用統一の全体像を示している。荷電流
弱反応の場合の電子と陽電子の差には，標的となるクォー
クの種類が異なる効果も含まれる。この Q 2 依存性から反応を媒介する粒子の質量を判別できる。予想通り，およそ80GeV2 となる。質量の精度は s チャンネルの直接測定で得られるものには及ばないが，高エネルギーの t チャンネルではっきりと W 粒子の交換に由来していることが分かり，とを加えた量に相当する。ただし，抽出には偏極のないデー
タを使う。HERA-II での左右の偏極データはほぼ同量集積されており，HERA-I の無偏極データと HERA-II の無偏極に相当するデータが用いられた。 Q 2 を 1500GeV2 に調整したときの合同解析の結果を図７に示す。図には，HERA-Iのデータを用いて NLO-QCD フィットで求めた，H1 と ZEUS
それぞれのヴァレンスクォークの分布も合わせて示してあり，これらとよく合致している。NLO-QCD フィットでは，反クォークの分布関数を海クォークの分布関数と同じと見

われわれの理解を裏付ける。
電子・陽電子の縦偏極は荷電流弱相互作用の検証を目指した試みである。偏極依存性の測定結果を図 6 に示す。直Charged Current e±p ScatteringσCC (pb)120

e-p → νX
H1 Data 2005 (prel.)
H1 Data 98-99
ZEUS Data 04-05(prel.)
ZEUS Data 98-99

100

80

e+p → νX
H1 Data
ZEUS Data60

SM (H1 PDF 2000)
40

20

Q2 > 400 GeV2
y < 0.9

0
-1

-0.5

0

図7
0.5

1

Pe
図6

電子（陽電子）・陽子の荷電流弱反応断面積の電子（陽電子）縦偏極依存性

電子・陽子と陽電子・陽子中性流反応の差から求めた構造関数 xF3 の x 依存性

H1 と ZEUS が HERA-I のデータ（主に陽電子・陽子データ）から
QCD フィットで求めたヴァレンスクォークの構造関数をそれぞれ実線と点線で示す。合同解析の直接測定データは，それらと整合
している。

260
なしたが，直接観測の結果がヴァレンスクォークの分布と一致しているので，この仮定と整合性のある結果が得られた。x の値が大きいところで xF3 は小さいと予想されている
が，観測値もそうなっている。
さらに，偏極データを用いると電弱反応でのパリティ非保存の効果が，右手系と左手系の差として現れる。偏極非対称は電子・陽子反応と陽電子・陽子反応のそれぞれについて観測でき，標準模型では偏極による差の符号が反転す
図9る。これは，光子交換と Z 中間子交換の干渉によって生ずる量で，クォークと Z 中間子のベクトル結合定数に比例す

QCD と電弱相互作用を総合したクォーク・Z 中間子
結合定数のフィットの結果

他の高エネルギー衝突装置の結果と比較してある。

ZEUS と H1 のデータ，合同解析のデータを図 8 に示す。
る。
明らかに偏極非対称のゼロからのずれが見られ，それが電9.

標準模型を越える事象の探索

子と陽電子の場合で逆符号になっているのが分かる。中性

エネルギーフロンティアの衝突装置では常に標準模型を流反応の解析では都立大の院生だった李栄篤君の寄与が大超す現象の手がかりを探すが，HERA の場合はっきりしたきい。

現象はなかった。先に述べたように，ひところ注目された
大 Pt レプトンと横向き欠損運動量のあるジェット事象も，

H1 と ZEUS で整合性のある異常は見られなかった。両実験を比べると，H1 の方が，ことに HERA-I の時代に，事象数を多く観測したが，それも HERA-II でのデータを見ると，標準模型と合致している。W 中間子の単体生成の統計的ばらつきとしても説明できる。このことから，H1 は W 中間子の異常結合定数の限界を求めている。

HERA で新しく開かれた 300GeV までの t チャンネルの諸反応でも，標準模型が正しいと明らかになった。話を一歩進めて，そこからのズレを生ずるような現象に対しては制限が得られた。未知の相互作用があったとして，そのカットオフパラメータを求めたり，クォークの構造に制限を設けたりすることができ，詳細は省くが，大まかなスケール
としては，他の高エネルギー衝突装置と同じように 1TeV な
いし 数 TeV の値が得られた。クォークのサイズに焼き直すと， 0.7 × 10−3 fm 以下となる。
図8電子・陽子と陽電子・陽子のそれぞれの場合の中性流反応の断面積の偏極非対称性

10.

終わりに

以上述べたように，当初に目指した研究は，HERA-I，-II

電弱相互作用の干渉によるパリティ非保存を示す。標準模型では電子の場合と陽電子の場合で符号が反転するが，観測でもそうなっている。

を通じて，すべて達成できた。びっくり仰天はなかったが，これらの量は，クォークと Z 中間子のベクトル結合定数

するデータから，われわれの理解が正しいという確信を深

LEP とは違う運動学的領域でそれを観測できる。
に比例し，めることができた。また， F2 , xF3 , FL のすべてを測り，摂電弱効果を含めた総合的な QCD-EW フィットで求めた動領域と閉じこめ領域の境界など今の理論では予測できなクォークと Z 中間子の結合定数を図 9 に示す。標準模型のい領域のデータも得て，次の段階へと進む基盤を固めるこ

期待値と一致しているが，LEP，CDF の結果と比較した場とができた。共同研究を始めるに当たって HERA から LHC合，u クォークについては HERA の方が精度よく求められへの物理のつながりを想定していたので，メンバーの多くる。数の少ない d クォークについては，陽子の場合には統が LHC に移行して知見を活かしているのは喜ばしい。

計精度が落ちる。

標準模型として考えられる素粒子像に関して，予測に合致

実験準備を始めてから，数えると 25 年になり，その間にメンバーは大幅に入れ替わった。建設当時から今日まで継続しているメンバーは数少ない。かく言う自分はメンバー

261のような顔をしているが，実際には，データ取得が始まるとまもなく ZEUS 実験に当てる時間がなくなって，以後ほとんど実働はできなかった。実験の遂行は多くの（当時の）若手によって進められた。最初から一貫して多大の貢献をした徳宿氏が中心となって，若い人たちが今も完結に向け頑張っている。この間，中堅の人たちはいずれも ZEUS グ
ループの中でリーダー役を務めた。旗振り役だった者として，これまでいろいろな時期に関与された人たちに感謝す
るとともに，尽力に敬意を表したい。実験を通じて 20 名余の学位取得者があり，現在いろいろな方面で活躍し，中堅
あるいは指導的な役割を果たしている。レプトン，ハドロ
ンの両方が関わるだけに，様々な問題・課題があり，解析手法も簡単ではないから，勉強する材料には事欠かないし，
海外の協力者との交流も深められた。ZEUS グループの規模や DESY も，教育的には良い環境だったかと思う。
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立案当時の原子核研究所は KEK と統合し，都立大も首都大と変わった。予算形態は，はじめの海外共同研究の特別事業から科研費となり，その科研費は次々と目まぐるしく姿が変わった。そんな中で最後まで予算も途切れず，若い人の参加も続いて，
ここまで来られたのは幸いであった。
立ち上げの頃に支援していただいた，核研の高エネルギー
運営委員会や共同利用運営委員会，高エネルギー委員会のメンバーはすべて停年退官されたが，当時の判断がその後有効に活きたことを報告すると共に，改めてご支援に感謝したい。KEK に移行後も引き続いてご支援いただいた。今日に至っているのはその賜であり，現在の現役メンバーに代わって感謝したい。

参考文献[1] 久世正弘，徳宿克夫，高エネルギーニュース，
15-2 (1997) 46.

[2] 山崎祐司，長野邦浩，高エネルギーニュース，24-2 (2005) 79.

[3] M. Igarashi, T. Kamae and Y. Shimizu: Report of
TRISTAN ep(ee) working group, KEK report (1980),
Y. Kimura, F. Takasaki, Y. Shimizu, Y. Yamaguchi,
KEK Preprint 80-13 and Proc. of Second ICFA Workshop, CERN (1980).
[4] 山崎祐司，久世正弘，高エネルギーニュース，
15-11 (1997) 252.

[5] M. Klein and T. Riemann, Z. f. Phys. 24 (1984) 151.