ビッグバン宇宙の極初期を高エネルギー粒子加速器で探る質量起源のヒッグス粒子を探して一会　借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科学講演於静岡県立沼津東高等学校2009年11月7日●はじめに自発的対称性の破れと質量の起源高エネルギー陽子・反陽子衝突実験による質量起源のヒッグス粒子探索●今後の展望物理学発展の歴史
古典力学F = maカ＝質量×加速度:力が加わらなければ、物体は静止あるいは等速直線運動を続ける。 ：物体の運動は力と初期状態が決まれば、決まる。量子力学(非常に小さなところでの運動を正しく記述） ih ⇒ Ψ(x,t) = HΨ(x,t)        : シュレディンガー波動方程式Ot Ψ(x,t) :波動関数,  h = h  h :プランク定数, 2π H :ハミルトニアン（全力学的エネルギー)、 i² = 1       i:虚数単位:粒子の運動は波動関数によって確率的に決まる。すなわち、粒子の運動は力と初期状態が決まっても、一意には決まらない。 粒子＝波動:不確定性原理 │ΔpΔx ≥ h / 2│に従い、運動量が完全に決まれば、位置が決まらず、位置が完全に決まれば、運動量が決まらない。
(1920年代に量子力学が誕生した頃は「思考実験」でしかなかったことを実現！） Copyright (C) Hitachi Ltd.粒子＝波動電子も波であり、光や水の波のように干渉を起こす。日立製作所基礎研究所http://www.englink21.com/i-eng/column/ Copyright (C) Hitachi Ltd.
古典力学:ガリレイの相対性原理「お互いに等速度で運動しているすべての慣性系において、ニュートンの運動法則は、まったく同じ形で表される。」慣性系間の座標変換(ガリレイ変換)は、三次元空間を変換するだけで、時間を変えない。            t → t'= t特殊相対論(非常に高速なところでの運動を正しく記述) :光速度不変の原理「真空中の光の速さは、光源の運動状態に影響されない一定値cである。」 :特殊相対性原理「お互いに等速度で運動しているすべての慣性系において、すべての基本的物理法則(力学、電磁気学)は、まったく同じ形で表される。」以上の二つの原理から、慣性系間の座標変換(ローレンツ変換)は、時間と空間が互いに混ざり合って変換する。三次元空間→四次元時空。 t → t'= −−−−−− v² F = = = — (mv) dt    dt ：相対論的運動方程式ただし、pは運動量、vは速度である。 c²エネルギーと質量は等価エネルギーと質量(慣性質量)は同じものである。 | E = mc² : アインシュタインの方程式静止質量mを用いるとE = √m ²c 4 + p²c²慣性質量mと静止質量mとの間には次の関係が成り立つ。
〜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年ノ一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川敏英小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)発発県見1956年: ν 。の発見(F.Reines)
1980 1977年:     Υ(bb )の発見＝bクォークの発見(L.Lederman) 1980年:グルオンジェットの発見(at PETRA)
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＝10°電子ボルトハハドロン陽子、中性子などι中間子、K中間子などクォークの閉じ込め：クォークは3種類のカラー(赤、青、緑)を持っており、白色の粒子（ハドロン）のみが観測にかかる。クォークを単独で取り出すことはできない。真空から産まれたクォーク・原クオーク対
素粒子物理学における対称性＝ある変換で運動法則が不変例）時間一様性、空間一様性ゲージ対称性＝＝局所ゲージ変換をしても運動法則が不変局所ゲージ変換:   波動関数Ψ(x) → Ψ(x)'= e iθ(x)Ψ(x) ●ゲージボソン(W, Y, g)がなければならない。 ●ゲージボソンの質量はOでなければならない。 W, Zボソンは質量を持つので、ゲージ対称性が破れてW, Zボソンが質量を持つ機構が必要
超伝導体内: クーパー対(スピン・運動量逆向きの電子対)が凝縮素粒子物理学におけるカイラル対称性の自発的なやぶれ真空：陽子・反陽子対が凝縮 → 陽子、中性子に質量を与える現在の発展形: 1. クォーク･反クォーク対が真空中に凝縮して、ハドロン(陽子、中性子、中間子など）に質量を与えている。 2.ヒッグス機構で、ゲージ対称性が破れてヒッグス粒子が真空中に凝縮して、クォーク、レプトン、ゲージボソン（W, Z粒子）に質量を与えている。新しい真空の概念
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 + 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)直空の林日衛元系空宇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凝結する。現現在真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、ヒッグスにふ"つかる。ぶつかりやすいほど事いり] To  抵抗南部「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クスポテンシャル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（ヒッグスホソンの疑疵）、呉空の対除性が強れてしまいます.

-建立自治
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。宇宙創生
フェルミ国立加速器研究所(米国) FERMILAB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欧州共同原子核研究所(欧) CERN 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) ery Hill Detector大きさ10mx10mx10m重量3000トンNew Old Partially New Front End Electronics Triggers / DAQ (pipeline) Online & Offline Software Tracker (a). . . .
陽子反陽子衝突実験(米国フェルミ国立加速器研究所) 1981年8月 CDF設計報告書(日米伊87名) 1985年10月陽子・反陽子初衝突1987年テスト実験1988年6月物理実験(Run0) 〜1989年5月1992年4月物理実験(Run1) (7カ国445名) 〜1996年2月1994年1998年B中間子発見2001年4月〜物理実験(Run2)再開(12カ国600名) 2005年   ヒッグス粒子の質量上限決定2006年B ,中間子の粒子反粒子振動,の発見
陽子の中のクオ一ク反陽子の中の反クオークョ● 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 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 )
Mtoo = 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 ) = 174.3 ± 5.1 GeV/c² M top
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オークの質量と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)力士欧州チーム「存在2000年にCERN研究所(ジュ長く。などもリアン会社
南日本社会社
 5 " - "のも中に(6)之い
草原
青once Sサ2000年(平成12年) 9月22日学月る加工だ金の( - ). (10 3355002本社のSERVISION 30
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一ク重いヒッグス粒子( M H > 135GeV/c²)陽子中のグルオン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160～172GeV/c²のヒッグス粒子の存在を否定した。信頼度90%で、質量157～180GeV/c²のヒッグス粒子の存在を否定した。
114ヒッグス粒子の存在が否定された質量領域(信頼度95%、90% )
ヒッグス粒子検出に必要なデータ量mp (GeV)ヒッグス粒子の質量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、存在しないことを実証する。 99.7%の信頼度(30)で150～170GeV/c²のヒッグス粒子を検出。 ↑ 7.0
2000年2005年 2010年2020年2015年I I T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 H =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。 2010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11月加速器運転再開2010年から本格実験開始。今後の展望テバトロン実験(2010年あるいは2011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%の信頼度の2 σ )で、存在しないことを実証する· 99.7%の信頼度(30)で150〜170GeV/c²のヒッグス粒子を検出LHC実験(2010年から本格運転) 2013年頃•1TeV/c²以下のヒッグス粒子を99.99994%の信頼度(50)で有
素粒子標準理論の根幹には、自発的対称性のやぶれの理論を基にして、物質の質量が与えられるというヒッグス機構がある。この機構はビッグバン宇宙がどのように進化したのかを説明する重要な役割をはたす。しかし、質量起源のヒッグス粒子は未だ発見されていない。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。素粒子物理、宇宙物理についての解説書● 「クォーク」南部陽一郎  Blue Backs講談社● 「ビッグバン」佐藤文隆  Blue Backs講談社● 「なっとくする宇宙論」二間瀬敏史 講談社この講演のﾌｧｲルは以下のURLに置いてあります。 http://hep.px.tsukuba.ac.jp/~skim/precollege2009-CDF.pdf