金信弘筑波大学大学院数理物質科学研究科物理学専攻理工学群物理学類平成20年度KEK公開講座「加速器科学の新展開」於筑波大学春日キャンパス2008年10月25日●はじめに●高エネルギー陽子・反陽子衝突実験（テバトロンCDF実験）トップクオークの発見ヒッグス粒子の探索●  高エネルギー陽子・陽子衝突実験（LHC ATLAS実験） ●今後の展望
〜BC4c. 「物質はすべて均質で不可分のA-TOM〔原子〕からできている。」古代ギリシャ自然哲学者デモクリトス19〜20c初め　物質の構成要素である原子の発見。 1900 1897年：電子の発見(J. J. Thomson) 1905年：特殊相対論(A. Einstein)前期量子論(M. Planck, N. Bohr) 1911年：原子の構造＝原子核＋電子(E. Rutherford) 1913年：一般相対論(A. Einstein) 1913年：陽子の発見(E. Rutherford)量子力学(W.Heisenberg,  E.Schrodinger, P.Dirac) 1932年：中性子の発見(J. Chadwick) 1933年：陽電子の発見(C. Anderson) 1935年：中間子論(湯川秀樹) 1937年：μ粒子の発見(C. Anderson) 1948年: |量子電磁力学QED (くりこみ理論) (朝永振一郎, R. Feynman, J. Schwinger) 1950朝永振一郎(ともながしんいちろう) 1906年3月31日東京小石川生まれ1965年ノーベル物理学賞素粒子物理学(湯川秀樹に続き、日本で2番目) 1941年〜東京文理科大学(現:筑波大学)教授1956–1962年 東京教育大学(現:筑波大学)学長
1949湯川秀樹核力の研究と中間子の予言1965朝永振一郎量子電気力学1973  江崎玲於奈半導体のトンネル効果2002小柴昌俊天体物理学と宇宙ニュートリノ2008南部陽一郎自発的対称性の破れ益川敏英小林誠粒子反粒子対称性の破れの起源
1950 20c半ば：1947年のπ中間子の発見を皮切りに多くのハドロン（中間子、バリオン）発見1956年：ｖ。の発見(F. Reines) 1956年：反陽子の発見(0. Chamberlain, E. Segre)
1960 1970 1980
物質を構成する粒子（フェルミオン）
( )内の数字はGeVの単位で書かれた質量。 1GeV=109電子ボルト
標準理論の考え方ビックバン直後真空から抵抗を受けないので粒子の質量は0.ヒッグスポテンシャルV (φ) = μ²φ² /2 + λφ4 ( λ>0 ) μ² > 0 (ビッグバン直後)真空の相転移（対称性の破れ） μ² < 0 (現在)吉率の未日間王宙が彫張するとともに冷え、水蒸気が水になるように真空にヒッグス粒子の場が連続する。現在直空にはヒッグスが充満している「粒子を加速しようとすると、ヒッグスこへつれる。ぶつかりやすいほど幸いT南部「自発的対称性の破れ」理論を基にしている標準理論の根幹となる仮説ヒッグスポテンシャルV(f)：ヒッグス場が点扱上任意の所で最小値０を持てるため（ヒッグスポソンの疑缩）、炎空の対除性が強れてしまいます。
大統一理論
三つの力(電磁力、弱い力、強い力）は、宇宙創生直後の高温時には対称性が成り立ち、同一の力であった。それが冷えてきたときに対称性が破れて異なる力に見えるようになった。
超対称性理論
すべてのフェルミオン（ボソン）には超対称粒子のボソン（フェルミオン）のパートナーが存在する。この超対称性を仮定すると、三つの力の大統一がある高温状態で成り立つ。この理論は有望であると考えられている。この理論が正しければ、質量150GeV/c²以下のヒッグス粒子が存在するし、また標準理論で期待される以上のK中間子、τ粒子、B中間子の稀崩壊が起こる。
粒子反粒子対称性の破れヒッグス粒子
フェルミ国立加速器研究所(米国) FERMILAB欧州共同原子核研究所(欧) CERN高エネルギー加速器研究機構(日本) KEKブルックヘブン国立加速器研究所(米国) BNLスタンフォード線形加速器研究所(米国) SLAC (著作権:白い地図工房) 2TeV陽子・反陽子衝突実験（CDF実験、D0実験）米国フェルミ国立加速器研究所テバトロン加速器米国シカゴ郊外の研究所。直径2kmの加速器。陽子・反陽子衝突エネルギーが2TeV(2x10¹²電子ボルト) the context of the cont
陽子反陽子衝突実験(米国フェルミ国立加速器研究所)
● Dileptonチャンネルt t → W+ b W- b → l + l - v v b b → ● Lepton + Jetsチャンネルt t → W + b W − b → I± v q' q b b ● Multi-Jets ( All Hadronic )チャンネルt t → W + b W - b → q’ q q’ q b b
e + 4 jet event 40758_44414 24-September, 1992 TWO jets tagged by SVX fit top mass is 170 +- 10 GeV e+, Missing E+, jet #4 from top jets 1,2,3 from top ( 2&3 from W )
M top = 175.9 ± 4.8 (stat) ± 4.9 (syst) GeV/c²  =  175.9 ± 6.9 GeV/c² Combined CDF results ( all channels ) Mtop    = 176.1 ± 6.6 GeV/c² Combined Tevatron results ( CDF+D0 ) Mtop    = 174.3 ± 5.1 GeV/c²
質量の輻射補正計算より,ヒッグス粒子の質量はトップクォークの質量とWボソンの質量に左図のように関係づけられる。トップとWの質量測定→ヒッグスの質量決定テバトロン実験:世界最高エネルギー 2TeVの陽子・反陽子衝突によるトップクォーク対生成   p → ttX (唯一のトップファクトリー) 2008年夏テバトロン実験の結果:トップクォークの質量: Mtop = 172.4 ± 1.2 GeV/c²ヒッグス粒子の質量：   114GeV/c² < MHiggs < 185 GeV/c²ヒッグス粒子探索についての記事(2000年9月) 2000年にCERN研究所(ジュ115GeV/c²のヒッグスまか県えた(95%信頼に114GeV/c²以下のヒl
軽いヒッグス粒子( M H < 135GeV/c²)陽子中のクオーク反陽子中の反クオーク重いヒッグス粒子( M H > 135GeV/c²)陽子中のグルオンg Man反陽子中のグルオン
• H→WW→lvlv 2つの荷電レプトン（電子かミュー粒子）ヒッグス粒子の崩壊で生成したレプトン間の角度は小さくなる。一方、バックグラウンドの角度分布は異なる。
ヒッグス粒子の存在を否定する信頼度信頼度95%で、質量170GeV/c²のヒッゲス粒子の存在を否定した。信頼度90%で、質量163～176GeV/c²のヒッグス粒子の存在200を否定した。ヒッグス粒子の質量
ヒッグス粒子検出に必要なデータ量2010年末：7 fb-¹ ·185GeV/c²の以下にヒッグス粒子が存在しなければ、95%の信頼度(20)でそれを示す· 99.7%の信頼度(30)で150～170GeV/c²のヒッグス粒子を検出↑ 7.0ヒッグス粒子の質量mp (GeV)
2000年2005年 2010年 2015年 2020年H I Iテバトロン陽子･反陽子衝突実験  (FNAL,米国) 2TeV M H <180GeV/c²ならばヒッグス粒子検出(95%信頼度) LEP電子･陽電子衝突実験(CERN,ヨーロッパ) M y =115GeV/c² ? 206GeV (95%信頼度) LHC陽子･陽子衝突実験(CERN,ヨーロッパ) 14TeV M H <1TeV/c²ならばヒッグス粒子検出超対称性粒子も存在すれば検出LC電子・陽電子衝突実験(建設地未定) 500GeV- 1TeV M H <0.9TeV/c²ならばヒッグス粒子検出超対称性粒子も存在すれば検出
LHC (Large Hadron Collider):スイス・ジュネーブのCERN研究所の陽子・陽子衝突型加速器。衝突エネルギー14TeV(14x10¹²電子ボルト)。加速器の大きさは直径約8km。 2009年から本格実験開始。実験目的:ヒッグス粒子の発見とその性質の研究、超対称性粒子の探索ATLAS測定器: LHC加速器の陽子陽子衝突点に置かれて、衝突で出てくる粒子を検出し、そのエネルギーを測る。
Higgs粒子が存在すれば、質量1TeVまでの領域でLHC実験で必ず発見できる。
2008年9月10日LHC加速器リングを陽子ビームが周回した。その際にATLAS測定器で最初に観測された事象。陽子ビームがビームパイプの中の残留ガスやビームを制御するためのコリメーターと衝突した際に発生する二次粒子が、 ATLAS測定器を通過しながら反応して行く様子が観測された。 2009年から本格実験開始。今後の展望テバトロン実験(2010年末まで運転) ·185GeV/c²以下にヒッグス粒子が存在しなければ、95%の信頼度(20)でそれを示す· 99.7%の信頼度(30)で150～170GeV/c²のヒッグス粒子を検出LHC実験(2009年から本格運転) 2011年頃•1TeV/c²以下のヒッグス粒子を99.9994%の信頼度(5 σ )で検出
テバトロン実験とLHC実験のヒッグス粒子の探索競争により、近い将来ヒッグス粒子が発見される。ヒッグス粒子の質量、崩壊分岐比、生成断面積などの基本的な性質を測定することによって、ヒッグス粒子が標準理論予言どおりのものか、あるいは標準理論を超えた理論に従うものかが明らかになる。それは新しい物理の始まりを告げるものになるかもしれない。