セ 　ル　 ン　　　　　　　　 エル エイチ シー

C E R N と L H C 計画と　ヒッグス粒子

V5b, 2013.12.16 T. Kondo (KEK)

2

2012 年 7 月 4 日ヒッグス粒子発見の発

表　

新聞がトップ記事として伝えた

3

2013 年ノーベル物理学賞受賞者の発表

ピーター・ヒッグス（イギリス） フランソワ・アングレール（ベルギー）

受賞理由：

2013 年 10 月 8 日

万物に質量を与えるヒッグス粒子の存在を理論的に予言した（ 1964 年）。

4

CERN( セルン）研究所・ 1954 年に発足した。・加盟国：　ヨーロッパを中心にした 21 カ国・年間予算：　約 1,000 億円・職員：　約 2,500 人・ユーザー：　約 10,000 人（世界 71 カ国から）・ 1990 年　 WWW を発明した。・ 15 年かけてＬＨＣ加速器を建設し、現在運転中。

5CERN の昔の映像 （ http://cdsweb.cern.ch/record/809062 より抜粋）

ここに　　 http://atlas.kek.jp/sub/video/CERN-MOVIE-2004-005_digest_oldPart.movを貼り付ける。

トンネル27 km

実験装置ATLASCMS

ALICELHCb

計画承認 1994

建設完成 2008

建設費～１兆円

LHC

6

2011/4/21 7

ATLAS

C M S

ALICE

LHCb

LHC 加速器と実験装置

　　　　　　　　　 設計値　　　　 達成値（ % ） 2012.8.25 現在エネルギー 7+7=14 TeV 8TeV (57 %)

ルミノシティ 1034 cm-2s-1 7.7×1033 (77 %)

陽子数 / バンチ 1.15×1011 1.6×1011 (139 %)

ビームバンチ数 　　 2808 1380 (50 %)

トンネル周長　 27km

1995 年 6 月 23 日 に与謝野馨文部大臣が CERN 理事会に出席し日本によるLHC 建設協力を表明した（非加盟国の中では日本が最初）。その後も日本は資金協力を行い、総計 138.5 億円の建設資金協力を行った。

与謝野文部大臣CERN DG

Chris Llewellyn Smithダルマ

CERN 理事会における日本政府代表

8

LHC 建設に貢献した主な日本企業推定規模

億円( 註 )

古河電気工業 LHC 加速器 超伝導ケーブル ～ 20*

新日本製鐵 LHC 加速器 双極電磁石の特殊ステンレス材 ～ 50*

東芝 LHC 加速器 収束用超伝導四極電磁石 ～ 15*

ＪＦＥスチール LHC 加速器 電磁石用非磁性鋼材 ～ 5*

カネカ LHC 加速器 電磁石用ポリイミド絶縁テープ ～ 10*

IHI (+Linde) LHC 加速器 低温ヘリウムコンプレッサー ～ 20*

東芝 アトラス 超伝導ソレノイド ～ 10

浜松ホトニクスアトラス ,CMS, LHCb

シリコン検出器 , 光電子増倍菅 ,光検出ダイオード

～ 10

川崎重工業アトラス ,CMS

LAr カロリメター容器 , 鉄構造体 ～ 10

林栄精器 アトラス ワイヤーチェンバー ～ 5

東芝 アトラス 信号読み出し集積回路 ～ 2

ソニー アトラス 検出器信号アンプ ～ 1

ジーエヌディー

アトラス トリガー用電子回路 ～ 1

フジクラ アトラス 耐放射線性光ファイバー ～ 1

クラレ アトラス シンチレーションファイバー ～ 1

有沢製作所 アトラス 銅箔ポリイミド電極シート ～ 1

新日本製鐵

古河電気工業

東　芝

浜松ホトニクス（註）推定規模は、部分的な情報から推定しており、実際の契約額と相当にずれている可能性があります。あくまでも企業の貢献の規模の目安にすぎません。＊印は日本による建設協力資金が使用された事を示す。　　 9

10

1232 台の超伝導マグネット（二極）を使って陽子ビームを曲げる。磁場は 8.33 テスラ。

断面図・２つのビームパイプ。・ 1.9 K （ -271℃ ）まで冷やす。

LHC 加速器の超伝導マグネット

11

超伝導とは

温度

電気

抵抗

0

金属を冷やしていくと電気抵抗が突然ゼロになる現象

（ 1911 年に発見された）

-265oC

大電流を流すことができる

強い磁場を作る

　　超伝導の応用：・ リニアモーターカー

・ 磁気共鳴画像（ MRI ）

高いエネルギーの粒子を曲げる

12LHC マグネット組立・設置とビーム

（ http://atlas.kek.jp/sub/video/LHCMagnetBeam.mov ）

ここに　 　　 http://atlas.kek.jp/sub/video/LHCMagnets.movを貼り付ける。

建設中のアトラス実験装置　 2005 年 11 月 13

東芝京浜工場で製造中の超伝導ソレノイド　 1998 年 14

日本・英・米などで製造されたシリコン検出器15

シリコンセンサー浜松ホトニクス

回路組立　栃木セイコー　　

フレキ回路基板日本メクトロン（茨城県）

ATLAS : 日本が担当者た検出器の例　端部ミューオントリガー装置 ( 日本＋イスラエル＋中

国 )

神戸大学

つくば市

セルン地上 セルンの地下実験ホール

つくば市

16

CERN を利用するユーザーの国別分布（ 2011 年 6 月 27 日現在）

71 カ国から 10482 名

加盟国： 62 %

オブザーバー国：29 % （日本 1.8 % ）

　　国別順ではアメリカ　 1786 名イタリア　 1406 名ドイツ　　 1220 名ロシア　　 822 名フランス　 905 名イギリス　 732 名　　・・・・・・　　・・・・・・日本　　　 190 名

17

男女別年齢分布20 歳代 60 歳代

182008 年 9 月 10 日 LHC で初めてビームの周回に成功した（世界に放映）。

この時の BBC 映像は　 http://cdsweb.cern.ch/record/1125916 　にある（公開）

LHC の運転状況（１日分）

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ビーム１の陽子数　　　ビーム２の陽子数　　　ビームのエネルギー

入射時に失敗4 TeV でトラブル発生 ビーム加速と調整

ビーム入射

衝突実験中

ビームダンプ

陽子ビームバンチの形状と衝突

バンチ数は 1380個リング全体で 44 兆個の陽子

～ 14 cm

0.3mm ( 衝突点では 16 mm)

20

160 億個の陽子

アトラス実験で観測された陽子バンチ衝突イベント 15個の pp衝突が見えている

衝突回数：毎秒２千万回

21

日本語ナレーションのビデオ（ http://www.atlas.ch/multimedia/atlas-movie-japanese.html より抜粋）

ここに　 　　 http://atlas.kek.jp/sub/video/atlas-movie-japanese_digest.movを貼り付ける。

水（ H2O ）

酸素（ O ）

陽子（ p ）

電子（ e ）

中性子（ n ） クォーク

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クォーク

分子　　　　　　　原子　　　　　　　　　素粒子

陽子

中性子

ud

u

udd

23

クォークの不思議

パイオン

uu

・　裸（単独）のクォークはない。　・　電荷量が分数である。 　アップクォーク　　　　　　　　　　ダウンクォーク

・　強い力がクォーク間に働く。　

u

d

e3

2

e3

1

ヒッグス粒子のみ未発見だった。

素粒子の標準模型

24

mg=0

mg=0

mW=80 GeVmZ=91 GeV

質量

25

自然界には４つの力が存在する強い力 > 　 電磁磁気力　　 > 　　弱い力　 >>> 　　　重力　　　　　　　　　　　　

クォーク間に働き陽子を作る

光・原子・分子・宝石・携帯電話・電波・雷・テレビ ..

太陽 / 星・放射能… ...

落下りんご月・太陽・星・・・体重

グルーオン　　　　　　光　　　　 　Ｗ粒子 , Ｚ粒子　　 ( グラビトン )

　　　　　　　　　　　　力を伝える粒子　　　　　　　　　　　　

　　　　質量 = 0 　　　　　　　　質量 = 0 陽子の１００倍 （質量 = 0 ）

これが質量の問題

太　　陽

26

核融合反応

+ +陽子

陽子重水素 電子 ニュートリノ

+ 　　エネルギー

弱い力

27

陽子 ud

u

陽子 udu

ud

u

W

重水素

電子

ニュートリノ弱い力を

伝える粒子

太陽内の核融合反応の実際

dd

u

28

W電子

ニュートリノ弱い力を

伝える粒子

この５０年間物理学者を悩ませた問題：

電気を伝える光：質量はない！　（到達距離 =無限大）しかし　

なぜW に質量があるのか？　（到達距離 = 非常に短い）

u

dd

S. ワインバーグ　 A. サラム 　　

1979

電弱理論 の提案（ 1967 ）

R.ブロウト　 F. アングレール , P. ヒッグスヒッグスメカニズムの提案

（ 1964)

南部陽一郎

2008

自発的対称性の破れ (1959)

29

標準理論の方程式ヒッグス場（赤い部分）がないと素粒子が質量を持てない。

CERN の T-shirt( お土産グッズ）

30

u

W

H H

H H

H

H

H

H

H

H

HH

H

H

H H

H

高温の宇宙

光速

(c=3

0万

km/

秒)

0m

MeV 2um

MeV 80385Zm

光

u

W

0m

ヒッグス場の海（弱い力の海）

冷えた現宇宙

0um

0Zm

光

31

2012 年 7 月 4 日　 CERN はヒッグス粒子（らしきもの）を観測したと発表

（ http://cdsweb.cern.ch/record/1462525 より抜粋）

ここに　 　　 http://atlas.kek.jp/sub/video/CERN-MOVIE-2012-110_digest.movを貼り付ける。

見つかったヒッグス粒子の候補イベント

https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/AtlasPublic/EventDisplaysFromHiggsSearches　を参照 32

H-> Z Z -> m m m m４本のミュー粒子（赤線）が発生し

てる。H -> g g

２つのガンマ線が発生してる。

ヒッグス粒子さがしの現状　

　観

測さ

れた

イベ

ント

数

33

[ 公式発表 ] ２つの実験チームはヒッグス粒子とみられる新粒子を質量 125 ～ 126 GeV 付近に観測した。

ヒッグス粒子の質量 [GeV] ヒッグス粒子の質量 [GeV]

アトラス実験チームの結果 CMS 実験チームの結果

磁気力

電気力

弱い力

強い力

地上重力

天体重力

電磁気力

弱い力

重力

電弱理論

量子色力学

一般相対論

大統一 ?

力の統一 = 物理学者の夢

?

高いエネルギー宇宙のはじめ

ニュートン

マックスウエル

現在

34

ヒッグス……

19 世紀 17 世紀20 世紀

35

外側の星ほどゆっくり動くべき（ A ）なのに同じ速度（ B ）で動いている　 ! 　　　　　 →　 10倍の暗黒物質が必要

銀河クラスターの衝突重力レンズ効果

３ ° Ｋ宇宙背景輻射

銀河の回転速度

銀河クラスターの運動

我々の宇宙の４％しか理解してない！

暗黒エネルギー

暗黒物質

光を出す通常物質

36

LHC で発見されるかも

LHC で 10-12 秒後までさかのぼる！

37

137 億年前　 　　秒　　　　　　　　　30 万年

現在

宇宙の歴史

１１兆

宇宙が透明になった

これから・ ヒッグス粒子の性質をさらに詳しく調べ上げる。

・ 2013-14 年は LHC 加速器を修理して衝突エネルギーを 7+7=14 TeV に上げる。

・ 超対称性粒子や暗黒物質の探索を続ける。

・ LHC は 2023 年頃に輝度を上げ 2035 年まで運転する。

・　並行して周長 80~100km の　　 VHE-LHC 加速器を検討する。

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には、発表・解説・写真・ムービー・記録・報道・歴史などの数多くのリンク先が載っていて便利です。

http://atlas.kek.jp

39

日本語のウエブサイト