CDF 実験における余剰次元探索

第１回「アインシュタインの物理」でリンクする研究・教育拠点研究会

　２００８年１０月１１日 （土）

高エネルギー物理学研究室　清矢良浩

重力相互作用の強さ

r

mmGr N

21)(

11 3 1 2

39 2 22

6.67 10 m kg s

6.71 10 (GeV / )

N

Pl

G

cc cM

19 21.22 10 GeV /PlM c プランク質量：

1 22

( )Pl

G

mm

M

cr

r

1

13(

7)EM

c cr

r r

( = 微細構造定数 )

　　　　　　において重力は他の相互作用と同程度に強くなる

PlMm

重力相互作用の強さ

電弱相互作用スケール

電弱ゲージ相互作用の媒介粒子： 0 , ZW

291 GeV/Zm c

280 GeV/Wm c

電弱ゲージ対称性の破れの質量スケール

TeV 1~GeV 100EWM

階層性問題

EWPl MM

＞１０１６　ＧｅＶをカバーする安定な理論を構築できるか？なぜ　　　　　　　　　なのか？

標準模型には問題あり（ fine tuning, 自然さ問題）

超対称性，テクニカラーなどの新現象の提案

Pl EWM M

余剰次元の提案N. Arkani-Hamed, S. Dimopoulos, G. Dvali 　（ＡＤＤ）

Phys. Lett. B 429 (1998) 263

“ 大きな”余剰次元（ LED=Large Extra Dimension ）4+n 次元

L. Randall and R. Sundrum 　（ＲＳ）Phys. Rev. Lett. 83 (1999) 3370

“ ゆがんだ”余剰次元5 次元

４＋ｎ次元における重力ポテンシャル

0 1 21

( ) N n

mmr G

r

0N

N nc

GG

r

真に基本的な重力定数

余剰次元のサイズを　　　とすると　　　　　　の巨視的空間では

crcrr

“ 大きな”余剰次元 =LED (ADD)

0N

N nc

GG

r小さな　　　は適当に大きな余剰次元のためであり　　　は必ずしも小さくない　　　　　　　　　0

NGNG

21

2

0

310 cmPln

cr MM

20 /TeV 1 cM

20

0 1

MGN とおくと

のとき)2( cm 10

)1( cm 102

13

nr

nr

c

c

r

mmGr N

21)(

万有引力の法則の直接検証は　　　　　　　　程度1 mmr

重力相互作用のみ可能な，適当に大きな余剰次元　は検証・排除されていない電弱スケールと重力スケールは同程度，つまり　基本的スケールは１つのみ

“ 大きな”余剰次元 =LED (ADD)

（今は 10m 程度）

LED (ADD) の現象論

余剰次元内にたくさんの励起モード (Kaluza-Klein モード )中性で重力相互作用のみ

終状態における消失エネルギーの発生

( )2

c

yir

c

ex

r（ n=1 の場合）

　　　　　　　　　　　　　　　ではブラックホール蒸発 20( 1 TeV/ )E M c

ゆがんだ余剰次元（ＲＳ）

余剰次元方向へ激しく変化する計量

2 2kyds e dx dx dy

3024/ Mk

0y

標準模型の粒子

20| | 0 V 10| | 0 V

宇宙項 0

1 2 /V V ky L

ゆがんだ余剰次元（ＲＳ）

3

2 20 (1 )kLPl

MM e

k

0kLm e m

粒子の真の基本的な質量スケールを　　　とすると0m

0k M とすると

0 0 PlM m M

30kL 程度で

21 TeV/m c 1610

ゆがんだ余剰次元（ＲＳ）の現象論

Massive Kaluza-Klein モード（ＲＳグラヴィトン）

オーダー１の結合定数　（パラメター＝　　　　　）

標準模型の粒子への崩壊

21 TeV/ckr

Pl

m ke k cM

/ Plk M

物質粒子

電荷

2/3

1/3

0

1

ハドロン

バリオン メソン1 2 3q q q 1 2q q

ud

p uud

n udd

物質粒子

mN~1GeV/c2

1 GeV

100 GeV

質量

敷地 ~ 5 km x 5 km

Fermilab

超伝導加速器テバトロンクウェンチしばしば

テバトロン陽子・反陽子衝突器36 x 36 バンチ

１バンチサイズ : 半径 ~ 30 m, 長さ ~ 60cm

バンチあたり： Np ~ 260109, Npbar ~ 60109

（最小）バンチ間隔 = 396 ns (~120 m) ，　　平均 1.7 ＭＨｚ

ビームエネルギー = 980 GeV

約２４時間ごとにビーム廃棄及び入射

%9999.99cv

反応断面積とルミノシティー

事象数＝反応断面積 ルミノシティー ＝ L（ビーム強度）

　断面積の単位の例：　 pb （ピコバーン） = 1012b = 1036 cm2

　ルミノシティーの単位：　 pb1 　など

　瞬間ルミノシティー：　 1032 cm2/s = 0.1 nb1/s （現在の性能：１時間あたりトップクォーク生成事象数～７）

2001.04.01 2008.10.01

Design = 21032 　 cm2/s

最大瞬間ルミノシティー

積分ルミノシティー

Total 5 fb1

陽子・反陽子衝突の描像

素粒子レベルの反応断面積

q, g q, g

Hadronization•クォーク・グルーオンのハドロンへの転化。

q, g

K

方向的に集中した粒子群（ジェット）として観測。

電子など“T” = transverse

ビーム軸

p p

横運動量　　　　（ PT=Psin ）“ 横”エネルギー (ET=Esin ） 散乱の激しさを

表す

陽子・反陽子衝突

Process Cross-section Rate

（ 1032 cm-2/s の場合）

Inelastic pp

Inclusive jets (ET>40)

ppbb

pp→WX →(e)X

pp→tt

pp→WH (if MH=115GeV)

60000000000 pb

250000 pb50000 pb2500 pb

7 pb0.2 pb

6.0 MHz

25 Hz5 Hz

0.25 Hz0.0007 Hz

0.00002 Hz

陽子・反陽子衝突

CDF 実験

CDF = Collider Detector at Fermilab

CDF 実験の歴史日、米、伊の国際協力実験として始まる。

積分ルミノシティー

共同実験者数

１９８１．１１９８４－８５１９８５．１０１９８７．１－８７．５１９８８．６－８９．５１９９０－９２１９９２．４－９３．５１９９３．１２－９５．８１９９５．１０－９６．２－２０００．秋２０００．秋－０１．春２００１．３－

設計報告書テストビーム最初の陽子・反陽子衝突テストラン。最初の物理。Run 　 0

テストビームRun 　 Ia

Run 　 Ib

Run 　 Ic

検出器増強立ち上げRun 　 II

(~20 events)

２５　ｎｂ－１

４．４　ｐｂ－１

１９　ｐｂ－１

８０　ｐｂ－１

７　ｐｂ－１

～ 5000 　ｐｂ－１

８７名

１９０名

３５８名

～７５０名　　スタッフ～４５０　　学生　　～３００

CDF Detector

Total 1 M channels

CDF 検出器

消失横エネルギー

LED 探索： γ ＋消失エネルギー

LED 探索：ジェット＋消失エネルギー

LED 探索結果

２つの μ 粒子の不変質量分布に共鳴を探す

RSグラヴィトン探索：

プロットは質量の逆数

pp

RSグラヴィトン探索結果： pp

RSグラヴィトン探索： pp ee

RSグラヴィトン探索結果：pp ee

RSグラヴィトン探索結果：pp ee

RSグラヴィトン探索： pp ZZ eeee

まとめ

20 1.4 1.0 TeV/ ( 2 ~6)M c n

LED 排除 @ 95% C.L.

20.3 0.9 TeV/ ( 0.01~0.1)Pl

km c

M

RSグラヴィトン排除 @ 95% C.L.