リニアコライダー計画(ILC)- 物理学の挑戦 竹下徹（信州大学）
加速器学会 2013@名古屋大

Shinshu
University1

素粒子物理学の進展
n

加速器で新粒子を発見し精密測定n

自然の理解＝理論の構築と進化n

AGS/SPEARで

Charm quark 1974n

Fermilab PSでBottom quark 1976n

Tevatron でn

LHC で

n

陽子加速器で発見し、詳細＝物理を電子加速器

Top quark 1994

Higgs 2012

竹下：加速学会20132素粒子物理学の進展
n

加速器で新粒子を発見し精密測定n

自然の理解＝理論の構築と進化n

AGS/SPEARで

Charm quark 1974n

Fermilab PSでBottom quark 1976n

Tevatron でn

LHC でn陽子加速器で発見し、詳細＝物理を電子加速器

Top quark 1994

Higgs 2012

竹下：加速学会2013

2]

ILC

Higgs 革命
Standard Model

Beyond SM理論

2010

2011 2012
軽いHiggs
Higgs ???

重いHiggs

竹下：加速学会2013

Standard Modellike Higgs

DM複合Higgs
Higgsは1個?
テクニカラー SUSY, GUT...
3

Higgs 革命
Standard Model

Beyond SM理論

2010

2011 2012
軽いHiggs
Higgs ???

Standard Modellike Higgs
DM
Higgsは1個?
SUSY, GUT...

竹下：加速学会2013

3

Higgs 2012
July2012
Higgs(らしき)粒子発見

Phys.Lett.B 716 (2012) 1-29

竹下：加速学会2013

4

Dec2012A Particle
Consistent with theHiggs Boson

Science 338, 1576 (2012)

H> γγ

竹下：加速学会2013

5Mγγ

H>ZZ>ℓℓℓℓ

竹下：加速学会2013

6MℓℓℓℓH>γγ & ZZ>4lepton
ATLAS:7.4σ6.6σ

4.4σexp.

CMS: combined: 125.8± 0.4± 0.4 GeV
竹下：加速学会2013

γγ:125.4,74l: 125.8

arXiv:
1307.1427

250

1$'2*3-4+56'$$-278+
∫+/2+
<H>γγ
mode
:
09!+!!+4-5'*+'$:2-+507;" =+#$+0+>022#$7%!0""-(+?('.-+ATLAS: 95% CLで JP = 2+ (75%ggF) を棄却
7-$7#/@-+)0+A+
200

ATLAS
s = 8 TeV

Events / 0.1

Events / 0.1!"#$%&'(#)*+,-)-(.#$'/0$+Spin,Parity
JP = 0+ Expected
JP = 0+ Data

H → γγ-1
L dt = 20.7 fb

Bkg. syst. uncertainty

9+!+BB<+!+l#l#++!-@-('2+&++@'(#'C2-7+7-$7#/@-+)0+A
ATLAS:
95% CLで JP = 2+ (100%ggF)
を棄却

9+!+JJ<+!Kl8+LM22+N$'2+7)')-+
CMS: 99.8% CLで JP = 0- を棄却 &(-50$7)(M5/0$+7-$7#/@-+)0+A ++

qq

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

$ Spin-2+ hypothesis expected exclusio$ Observation compatible with spin-0+,!"#$%&'%(#)*++,-.'(/0(#12.13#0(%45JO'$:2-7++– SM>0.C#$-4+G#)6+H,I+0(+E')(#R%Higgs 0+ を支持
S2-.-$)%C'7-4+4#75(#.#$'$)+!"#$

竹下：加速学会2013

0.9

cos(θ*)ATLAS:
97.8% CLでDE
JP ==++'$4+Q+0- を棄却– O+.'77-7+;EJP

0.8|cos θ*|cos θ*|– $%88%l+l++D+E
l+l++D+FF+
CMS:
CLで
JP = 2+ (100%ggF) を棄却– >0.C#$-4+G#)6+H007)-4%,-5#7#0$%I(--+;H,I=+
H>ZZ>4l : 0+/0-0.3(f =0%)

000.22+Bkg. syst. uncertainty

50500.1∫

JP = 2+ Expected
JP = 2+ Data

H → γγ-1L dt = 20.7 fb

100

1000200

ATLASs = 8 TeV

150

150

H>WW mode : 0+/2+

250

08+0

SM-Higgs ?
nif Higgs

m(stat)ATLASm(sys)
m(theo)mH = 125.5 GeV

H A aa! = 1.55

+0.33
-0.28

H A ZZ* A 4l

mi=vgi+0.40! = 1.43-0.35

H A WW* A lili
+0.31

! = 0.99-0.28

Combined
HAa a , ZZ*, WW*+0.21n! = 1.33

signal strength μ:-0.18

Total uncertainty" 1m on !

+ 0.23- 0.22+ 0.17
- 0.13+ 0.17- 0.12+ 0.35- 0.32+ 0.20
- 0.13+ 0.17
- 0.10arXiv:1307.1427+ 0.20- 0.21+ 0.23
- 0.19+ 0.15
- 0.09arXiv:1307.1427+ 0.13- 0.14+ 0.17
- 0.13+ 0.12
- 0.10arXiv:1307.1427

arXiv:1307.1427"0.5

ATLAS-CONF-2013-0 7 9+0.7 "0.4-0.6 <0.1

H(N!

H A oo(8TeV: 13 fb-1)
Preliminary

ATLAS-CONF-2012-160

W,Z H A bb
Preliminary! = 0.2n~Meas./SM+0.7! = 0.7-0.6!

n

if μ=1: SMm(stat)m(sys)m(theo)mH = 125.5 GeV

H A aa! = 1.55

+0.33
-0.28

H A ZZ* A 4l+0.40! = 1.43

もっとデータを！

-0.35

H A WW* A lili
+0.31

! = 0.99-0.28

Combined
HAa a , ZZ*, WW*-1
20fb /y > 300/y >Int:3000fb-1

竹下：加速学会2013

0.5

1

1.52s = 8 TeV 0 Ldt = 13-20.7 fb-1

ATLAS

SM Higgsに近い-0.5 0Signal strength (!)
A4(!+&2'-?!B,0('2,s = 7 TeV 0 Ldt = 4.6-4.8 fb-1

+0.21

! = 1.33-0.18

Total uncertainty" 1m on !

+ 0.23- 0.22+ 0.17
- 0.13+ 0.17- 0.12+ 0.35
- 0.32+ 0.20
- 0.13+ 0.17- 0.10arXiv:1307.1427+ 0.20- 0.21+ 0.23
- 0.19+ 0.15
- 0.09arXiv:1307.1427+ 0.13- 0.14+ 0.17- 0.13+ 0.12
- 0.10arXiv:1307.1427•

s = 7 TeV, L % 5.1 fb-1 s = 8 TeV, L % 19.6 fb-"#$%&'()!µ!!!*(+,!-../– !"#!$%&!!'%(()%*+,– 67$%%&!!, ""'%88'%((– ";<!"=>?%&88'%!!, "6ABC*D8EFµ = 0.80 ± 0.14

pSM = 0.65

µ = 1.15 ± 0.62

H " $$µ = 1.10 ± 0.41

H " ##µ = 0.77 ± 0.27

ATLAS-CONF-2013-0 7 9+0.7 "0.4
! = 0.2-0.6 <0.1

H(N!

H A oo(8TeV: 13 fb-1)
Preliminary

ATLAS-CONF-2012-160

9mH = 125.7 GeV

H " bbarXiv:1307.1427"0.5W,Z H A bb
Preliminary

CMS Preliminary

Combined

H " WWµ = 0.68 ± 0.20

H " ZZµ = 0.92 ± 0.28+0.7! = 0.7-0.6s = 7 TeV 0 Ldt = 4.6-4.8 fb-1

-0.5 00.5

11.5

200.5

11.5

2

Best fit !/!

2

SM-Higgs ?
nif Higgs

m(stat)ATLASm(sys)
m(theo)mH = 125.5 GeV

H A aa! = 1.55

+0.33
-0.28

H A ZZ* A 4l

mi=vgi+0.40! = 1.43-0.35

H A WW* A lili

Total uncertainty" 1m on !

+ 0.23- 0.22+ 0.17- 0.13+ 0.17- 0.12+ 0.35- 0.32+ 0.20- 0.13+ 0.17- 0.10arXiv:1307.1427+ 0.20- 0.21+ 0.23- 0.19+ 0.15
- 0.09arXiv:1307.1427+ 0.13- 0.14+ 0.17
- 0.13+ 0.12
- 0.10arXiv:1307.1427

arXiv:1307.1427

compatible with a Standard Model Higgs
bosonn signal strength μ:+0.31! = 0.99-0.28

Combined
HAa a , ZZ*, WW*+0.21! = 1.33

-0.18

"0.5

ATLAS-CONF-2013-0 7 9+0.7 "0.4-0.6 <0.1

H(N!

H A oo(8TeV: 13 fb-1)
Preliminary

ATLAS-CONF-2012-160

W,Z H A bb
Preliminary! = 0.2n

~Meas./SM+0.7! = 0.7-0.6!

nif μ=1: SMm(stat)m(sys)
m(theo)mH = 125.5 GeV

H A aa! = 1.55

+0.33
-0.28

H A ZZ* A 4l+0.40! = 1.43

もっとデータを！

-0.35

H A WW* A lili
+0.31

! = 0.99-0.28

Combined
HAa a , ZZ*, WW*-1
20fb /y > 300/y >Int:3000fb-1

竹下：加速学会2013

0.5

1

1.52

s = 8 TeV 0 Ldt = 13-20.7 fb-1

ATLAS

SM Higgsに近い-0.5 0Signal strength (!)
A4(!+&2'-?!B,0('2,s = 7 TeV 0 Ldt = 4.6-4.8 fb-1

+0.21

! = 1.33-0.18

Total uncertainty" 1m on !

+ 0.23- 0.22+ 0.17
- 0.13+ 0.17- 0.12+ 0.35
- 0.32+ 0.20
- 0.13+ 0.17- 0.10arXiv:1307.1427+ 0.20- 0.21+ 0.23
- 0.19+ 0.15- 0.09arXiv:1307.1427+ 0.13- 0.14+ 0.17
- 0.13+ 0.12- 0.10arXiv:1307.1427•

s = 7 TeV, L % 5.1 fb-1 s = 8 TeV, L % 19.6 fb-"#$%&'()!µ!!!*(+,!-../– !"#!$%&!!'%(()%*+,– 67$%%&!!, ""'%88'%((– ";<!"=>?%&88'%!!, "6ABC*D8EFµ = 0.80 ± 0.14

pSM = 0.65

µ = 1.15 ± 0.62

H " $$µ = 1.10 ± 0.41

H " ##µ = 0.77 ± 0.27

ATLAS-CONF-2013-0 7 9+0.7 "0.4
! = 0.2-0.6 <0.1

H(N!

H A oo(8TeV: 13 fb-1)
Preliminary

ATLAS-CONF-2012-160

9mH = 125.7 GeV

H " bbarXiv:1307.1427"0.5W,Z H A bb
Preliminary

CMS Preliminary

Combined

H " WWµ = 0.68 ± 0.20

H " ZZµ = 0.92 ± 0.28+0.7! = 0.7-0.6s = 7 TeV 0 Ldt = 4.6-4.8 fb-1-0.5 00.5

11.5

200.5

11.5

2

Best fit !/!

2arXiv:1305.3929 [hep-ex]

真空の安定性IVEXXEGO#
宇宙の初まりのインフレーションモデルATLAS mtop summary - July 2013, Lint = 2.05 fb-1 - 4.7 fb-1 (*Preliminary)

ATLAS 2011, all jets*

200

ATLAS 2011, l+jets*

tyili
ab150

ATLAS 2011, dilepton, m *

XMSR

lbM

CONF-2013-077, Lint = 4.7 fb-1

100

CMS Average September 2012173.36 ± 0.38stat. ± 0.91JSF !syst.

Non�perturbativity

Top mass Mt in GeV

CONF-2013-046, Lint = 4.7 fb-1ts�eta

Stability

50
Tevatron Average May 2013

GEPIW

0165
0

竹下：加速学会2013± JSF± bJSF ± syst.

stat. uncertainty
stat. ! JSF ! bJSF uncertainty
9
total uncertainty

170

101012meta
stableATLAS Preliminary165
真空の安定性arXiv:1205.6497

160± stat.

175± 1.50
ほぼ最小値

173.09 ± 0.64

173.20 ± 0.51stat. ± 0.71JSF !syst.

155

± 3.8

MH=126GeV
Instability
Instability
172.31 ± 0.23 ± 0.27 ± 0.67 ± 1.35
はMSSMではInstability

Pole top mass Mt in GeVCONF-2012-030, Lint = 2.05 fb

180

174.9 ± 2.1-150170 100 175150

top-mass

Higgs mass Mh in GeV
10180200185115
190195
mtop [GeV]真空の安定性IVEXXEGO#
宇宙の初まりのインフレーションモデル
Instability

150

tyili
ab

M

MH=126GeV
Instability
Instability
はMSSMではts
�
eta

100

Stability

50

GEPIW
0

竹下：加速学会2013

50

100

175

ほぼ最小値
170

1091012

meta stable
165
真空の安定性arXiv:1205.6497
0Pole top mass Mt in GeV

200

Non�perturbativity

XMSR

Top mass Mt in GeV

180150

Higgs mass Mh in GeV
10200115

ILCの物理と計画n

LHC to ILCATLAS-simulation

竹下：加速学会201311ILCの物理と計画n

LHC to ILC

ATLAS-simulation

竹下：加速学会201311ILCの物理と計画n

LHC to ILC

ATLAS-simulation

竹下：加速学会201311ILCの物理と計画n

LHC to ILC

Clean

ATLAS-simulation

ILC:
ee>ZH>qqbb
sim.
11
竹下：加速学会2013

ILC実験
e+e- collider
初期状態素粒子 well known
偏極電子e+
Z/γ/Z’e-

低BG:Clean
Higgs
top
SUSY
DM
新粒子
...

質量、スピン、結合定数の決定
SMを超えるより基本原理の発見
竹下：加速学会2013

12ILC : Higgs粒子n

W/Z/γに質量を与える：Higgs 機構: HWW/HZZn

Fermionに質量：Yukawa 結合：Hﬀ couplingn

自己結合：HHH :triple Higgs

Higgs Mec.
W/Z質量e+e-Z

HYukawa
Q/L質量ZILCの独立測定

ZH

竹下：加速学会2013

自己質量真空
13H
Z
H

Q/LH

Q/L

ILC: Higgs factoryne+e->ZH

ヒッグスの再発見を１日で達成

e+Zn

モデルによらない測定n

質量精度ΔmH~30MeV,ΔσH~2.5%e-ℓ
H

Chapter 4. ILD Performancee+e->ttH: Δg/g~13% @500GeVe+

500 fb-1

Z/γe竹下：加速学会2013

150

Eventsnℓa)

ZH→µ+µ-X
Signal+Background
Fitted signal+background

100tX

SignalFitted background

50

H

0115

t
14120

125130135140

mrecoil /GeVfb-1model
Figure 4.2.1:250GeVResults 250of the偏極実験

RL

電子のスピンn

生成粒子のスピンを制御nP(e )<0: L, P(e )>0: R

e+e-e-

J=0e+

J=1n

J=1: RL/LR : SM and NewParticlen

J=0: LL/RR: NewParticle!

n

スピン偏極度 P=(NL-NR)/(NL+NR)

e+n

P(e-)〜８０％, P(e +)〜３０％e-

竹下：加速学会2013

15

J=0

偏極の効果n

ee>ZH の断面積 : P(e-,e+)P(-0.8,0.3) vs P(0.8,-0.3)--P(e , e+)=(0.8, -0.3), M =125 GeVP(e , e+)=(-0.8, 0.3), M =125 GeVh

Cross section (fb)SM all ffh
Zh
WW fusion

300

ZZ fusion

200400h

SM all ffh
Zh

Cross section (fb)

400

WWなし

300

WW fusion
ZZ fusion

2001001000200 250 300 350 400 450 500s (GeV)
竹下：加速学会2013

0200 250 300 350 400 450 500

H.Ono
16s (GeV)ILC: Higgs 結合

LHCで測り> Higgs factory LC>ILC ILC250=HLC
ILCでのヒッグス結合の測定
ILC=ILC500
synergye+
Ze+

250 GeV~
HWW結合測定過程∗Z

Higgs BR via
Higgs-strahlung

νeHe−

J K$$ J K$$ _60/+&+/&,/&,/&7H9

M. PeskinWH
偏極350 GeV~W Higgs BR via 5%WW fusionνeee+ν̄

5%W+

W−H−

νe+fte

500 GeV~γ/ZTop Yukawan ttH: Δg/g~5%@1TeV
−t¯efCoupling∗H:=EJaoFWLQY

1 ab-1-1 inFigure 22:LHC:300,HLC:250
Estimate of the sensitivity of theILC experiments to Higgs boson couplings
ILC:500,ILCTeV:1000fb
17a model-independent analysis. The four sets of errors for each Higgs coupling represent the! ILC䛷䛾ᅽಽⓗ䛺 ᐃ⢭ᗘ

竹下：加速学会2013

Higgs self-couplingLHCn LHC self coupling 測定
HH -> bb γγ

After cut, ~10 events passed by sim. at 3000fb-1 : 2030

LHC time line

2011 : 7TeV
2012 : 8TeV
2013~2014 :upgrade
2014~2016:13~14TeV,100fb-1
竹下：加速学会2013

2016~2018 :upgrade
2018~2020 :14TeV,300fb-1> HL-LHC(3000fb -1:2030)

18

Higgs 自己結合
Higgs ポテンシャルを決めるne+ee>ZHH: Δg/g~53%@500GeVn

2 ab-1Ze-

2 ab-14.3. ILD Benchmarking

BSM-モデル予言nhZν̄hh

Cross Section (fb)h0.25
0.2e+ + e- ! Zhhe+ + e- ! ""hh (WW fusion)e+ + e- ! ""hh (Combined)

mh = 120 GeV

e-0.150.1
0.05

P(-0.8,0.3) 0 400 600 800 1000 1200 1400

W−hν

e+0.3hZ∗

10〜100％竹下：加速学会2013

19s (GeV)

H

Hee>ννHH: Δg/g~21% @1TeVn

W+ILC

νeW
W

HHH
νeH

新物理はどう見えるか？
Higgs Coupling Precision with Full ILC Program (Model-Independent Analysis)

MSSM / Type II 2HDM

Singlet Mixing+10%Γhcτbt

WZH+5%0%-5%-10%+10%tbW

ZH

Z

H

0%-5%-10%

τ0%-5%-10%

竹下：加速学会2013

bt

W

Electroweak Baryogenesis
ZH+15%Higgs Coupling Deviation

Higgs Coupling Deviation

Γhc+5%-15%

τ+5%Composite Higgs+10%c-15%-15%+15%

Γh+15%
Higgs Coupling Deviation

Higgs Coupling Deviation+15%+10%+5%0%-5%-10%-15%

Γhc

τ

20bt

W

ILCの物理計画n

Higgs物理と新物理探索

Higgs / top factory

BSM machine

積分ルミノ

シティ (ab-1)
2

HHZ

ννHH

1.5

1~2025

~2030
ttH

HZ

0.5

ννH
tt

tt
200

300

400500重心系エネルギー
竹下：加速学会2013

21600(GeV)ILCの物理計画n

Higgs物理と新物理探索

Higgs / top factory

BSM machine

積分ルミノ

シティ (ab-1)
2

HHZ

ννHH

新粒子(=BSM)の発見とその精密測定

1.5

1~2025~2030
ttH

HZ0.5

ννH
tt

tt
200

300

400500重心系エネルギー
竹下：加速学会2013

21600

(GeV)

まとめnLHCはHiggs粒子を見つけた

n

標準理論は完成したので次の理論への挑戦n

charmhadron◎b◎

挑戦はILCが行うn

ILCは準備万端である。

n

宇宙の創生に近づく！

竹下：加速学会2013

新粒子探索

CP

22e+e◎
◎

top◎

ILC

Higgs

◎ILC

偏極II
n

tt 生成の角度依存n

新粒子の寄与を判定

e+Z

Z’t

e1

e-Re+Le-Le+R

4000
3000

Generator - Whizard

0.6

2000

0.41000
0e-Le+Re-Re+L
Generator - Whizard
Reconstructed

0.8

Reconstructed with cut on "2t0.2-1-0.5

00.5

1cos(!top)

0-1-0.5

00.5

1cos(!hel)

竹下：加速学会2013
Figure4.3.10: Left: Reconstruction23of the direction of the t quark for twµ(mH =125.5 GeV)
−0.4 ± 1.0
0.8 ± 0.7
1.0 ± 0.3
1.6 ± 0.3
1.5 ± 0.4
1.30 ± 0.20

SM - Higgs ?
Higgs Boson Decaynn

V H → Vbb
H → ττH → WW (∗)
H → γγH → ZZ (∗)
Combined

Higgsの発見は、より進んだ理論の初まり

鍵はこのHiggs粒子がどれだけSM Higgsと異なるか？
ATLAS Preliminary

mH = 125.5 GeV

W,Z H ! bbns = 7 TeV: % Ldt = 4.7 fb-1
-1
s = 8 TeV: % Ldt = 13 fb

signal strength μ:H ! $$s = 7 TeV: % Ldt = 4.6 fb-1
s = 8 TeV: % Ldt = 13 fb -1n

H ! WW~Meas./SM(*)

s = 7 TeV: % Ldt = 4.6 fb-1
s = 8 TeV: % Ldt = 20.7 fb-1

H ! ""n! l# l#-1

s = 7 TeV: % Ldt = 4.8 fb-1
s = 8 TeV: % Ldt = 20.7 fb

if μ=1: SM(*)

H ! ZZ! 4l

s = 7 TeV: % Ldt = 4.6 fb-1
s = 8 TeV: % Ldt = 20.7 fb-1

Combined-1

s = 7 TeV: % Ldt = 4.6 - 4.8 fb
s = 8 TeV: % Ldt = 13 - 20.7 fb-1

µ = 1.30 ± 0.20

-1

竹下：加速学会2013

240+1
Signal strength (µ)

µ(mH =125.5 GeV)
−0.4 ± 1.0
0.8 ± 0.7
1.0 ± 0.3
1.6 ± 0.3
1.5 ± 0.4
1.30 ± 0.20

SM - Higgs ?
Higgs Boson DecaynV H → Vbb
H → ττ
H → WW (∗)
H → γγH → ZZ (∗)
Combined

Higgsの発見は、より進んだ理論の初まり

鍵はこのHiggs粒子がどれだけSM Higgsと異なる
compatible
with a Standard
Model Higgsか？
ATLAS Preliminaryn

mH = 125.5 GeVbosonn

W,Z H ! bbs = 7 TeV: % Ldt = 4.7 fb-1-1
s = 8 TeV: % Ldt = 13 fb

signal strength μ:

H ! $$

s = 7 TeV: % Ldt = 4.6 fb-1
s = 8 TeV: % Ldt = 13 fb -1n

H ! WW~Meas./SM(*)

s = 7 TeV: % Ldt = 4.6 fb-1
s = 8 TeV: % Ldt = 20.7 fb-1

H ! ""n! l# l#-1

s = 7 TeV: % Ldt = 4.8 fb-1
s = 8 TeV: % Ldt = 20.7 fb

if μ=1: SM(*)

H ! ZZ! 4l

s = 7 TeV: % Ldt = 4.6 fb-1
s = 8 TeV: % Ldt = 20.7 fb-1

Combined-1

s = 7 TeV: % Ldt = 4.6 - 4.8 fb
s = 8 TeV: % Ldt = 13 - 20.7 fb-1

µ = 1.30 ± 0.20

-1

竹下：加速学会2013

240+1Signal strength (µ)