新学術領域研究申請課題

テラスケールの地平線を切り拓く先端加速器による素粒子物理

領域代表者 小林富雄東京大学素粒子物理国際研究センター

東京大学理学系研究科 駒宮幸男、浅井祥仁

LHCが7TeVでの運転を開始した直後のイベント（2010年3月30日）

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研究の目的

エネルギーフロンティアでの素粒子研究を結集し、新たな領域として提案する。

１）LHC実験によりテラスケール（TeVエネルギー領域）での直接発見を行う・ヒッグス粒子の確実な発見を通して、質量の起源や真空の構造を解明する・超対称性（あるいは余剰次元）の発見を通して、時空の構造を解明する・標準理論を超える新しい素粒子現象の探索を行う

２）次世代のエネルギーフロンティア物理研究へ向けて、必要となる加速器や検出器技術の開発を総合的に行い、次世代実験の方針決定に主導的役割を果たす

３）テラスケール素粒子物理の成果を宇宙物理学などへ展開する・宇宙の暗黒物質の正体を解明する・自発的対称性の破れによる相転移が現在の宇宙の多様性の起源となった

ことを実証する

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素粒子の標準理論：

・相互作用（力）はゲージ原理が支配

・ヒッグス粒子はゲージ対称性を自発的

に破り素粒子に質量を与える

・ヒッグス粒子は標準理論で唯一未発見

の粒子

ヒッグス粒子（質量の起源）

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ヒッグス粒子の直接の発見が素粒子物理の最緊急課題

ヒッグス粒子の質量は115～160 GeV の間にありそう

LEPやTevatronでの実験結果からの制限

LHCで確実に発見可能

（標準理論の素粒子）

（超対称性粒子）

・標準理論の粒子とスピンが1/2だけ異なる粒子・重力を含む力の統一に必要

超対称性粒子（SUSY）

LHC実験は力の大統一やダークマターに必要な超対称性の領域（テラスケール）をほぼカバー

この中で最も軽い中性粒子がダークマターの有力候補

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超弦理論？

万有引力

一般相対性理論

・真空の構造？（ヒッグス）・宇宙は相転移したか？・影の世界はあるか？（超対称性）・究極の理論は？・宇宙は本当に３次元か？（余剰次元）

インフレーション？

ブラックホール？

暗黒エネルギー？

テラスケールに解決のヒントが

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研究組織

LHC実験で直接発見 素粒子、時空、

宇宙の理解

LHCでの発見と最先端検出器技術を次世代エネルギーフロンティア実験へ導く

X01総括班

（企画調整、広報・アウトリーチ）

公募研究

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2-in-1超伝導ダイポールマグネット：磁場強度 8.3T、超流動ヘリウム温度 1.9K、長さ 14.3m、1232台

LHC (Large Hadron Collider at CERN)（大型ハドロンコライダー）

・ 14 TeV の陽子・陽子衝突型加速器・ LEPトンネル（周長27km）を利用・ 建設に14年・ 総建設費は約5000億円・ 2008年9月完成、ビーム周回に成功・ 2009年11月、ビーム衝突（900GeV）に成功・ 2009年12月、2.36TeVでのビーム衝突・ 2010年3月、7TeVでのビーム衝突

* CERNのLEP（電子・陽電子）は 200GeV* 米国フェルミ研究所のTevatron（陽子・反陽子）は 1.96TeV

ATLAS実験装置

・直径 22m、長さ 44m、重さ 7000t・世界最大の超伝導トロイド磁石・センサー数 1億チャンネル・37ヵ国、173の参加機関、2990名の研究者

（2010年4月時点）による国際共同実験・日本グループ（15の大学・研究所、110名）は

ミューオントリガー検出器、内部飛跡検出器、ソレノイド超伝導磁石などに貢献

巨大かつ精密な粒子検出器

(A Toroidal LHC Apparatus)

8

ミューオントリガー検出器

内部飛跡検出器（半導体検出器）

超伝導ソレノイド磁石

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アトラス測定器（日本担当部分）

LHC Computing Grid地域解析センター

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LHC運転予定と発見能力

2010年 100~200 pb-1 (7 TeV)2011年 ~1 fb-1 (7 TeV)2012年 シャットダウン2013年 3~7 fb-1 (13 TeV)2014年 5~16 fb-1 (13~14 TeV)

最終年度までには標準理論ヒッグス粒子の確実な発見（5s以上）が可能

H → gg

30 fb-1 で確実に発見（5s以上）

VBF H → tt

イベ

ント

数（

30 fb

-1）

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超対称性粒子イベントの特徴は、見えない粒子（暗黒物質）によるアンバランスさ

14 TeV

SUSY ( ) 発見可能な領域

˜ q , ˜ g

7 TeV, 200 pb-1 で ~500 GeV まで7 TeV, 1 fb-1 で ~700 GeV まで14 TeV, 10 fb-1 で ~2 TeV まで

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次世代テラスケール実験に向けて

最先端検出器、エレクトロニクス

LHCビーム最終収束

s.c. Q-magnet (NbTi)

→ SLHC → DLHC

→ Linear Collider(e+e-)

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経費

0

5,000

10,000

15,000

0

50,000

100,000

150,000

200,000

250,000

0

50,000

100,000

150,000

200,000

250,000

300,000

0

20,000

40,000

60,000

80,000

100,000

0

20,000

40,000

60,000

80,000

0

20,000

40,000

60,000

80,000

100,000

X00（総括班）合計 23,700千円

A01（Higgs/SUSY）合計 310,200千円

A02（SM精密測定）合計 310,200千円

B01（検出器R&D）合計 217,000千円

B02（加速器、将来計画）合計 175,900千円

C01（理論研究）合計 123,500千円

総額（平成22年度～平成26年度）1,199,300千円

（千円） （千円）

重複応募の制限について

１）特別推進研究との重複応募

森俊則（東京大学素粒子物理国際研究センター）：計画研究B02「次世代加速器での物理研究及び技術開発」の研究分担者（ILC物理担当）

↔ 特別推進研究「MEG実験‐レプトンフレーバーの破れから大統一理論へ」の研究代表者

⇒ 森は研究分担者を辞退し、計画研究代表・駒宮と連携研究者の大谷が替わって研究を行う

２）基盤研究（Ｓ）との重複応募

該当なし

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計画研究B02「次世代加速器での物理研究及び技術開発」 研究計画調書（Mar. 2010）

研究代表者 駒宮幸男（東京大学理学系研究科・教授） 総括、ILC測定器開発研究研究分担者 山本明（高エネルギー加速器研究機構・教授） ILC超伝導加速器の開発研究研究分担者 森俊則（東京大学素粒子物理国際研究センター・教授） ILCでの物理研究研究分担者 中本健志（高エネルギー加速器研究機構・講師） LHCアップグレード加速器の研究連携研究者 神谷好郎（東京大学素粒子物理国際研究センター・助教） ILCの物理連携研究者 萩津透（高エネルギー加速器研究機構・教授） LHC入射系（SPS）高繰り返し磁石の研究開発連携研究者 木村誠宏（高エネルギー加速器研究機構・講師） LC超流動He冷却技術の研究開発連携研究者 佐々木憲一（高エネルギー加速器研究機構・助教） LHCアップグレード超伝導磁石のクエンチ保護連携研究者 大谷航（東京大学素粒子物理国際研究センター・助教） ILC物理研究と測定器の最適化

（5月1日付で准教授に）

ヒッグス粒子や超対称性など素粒子物理学の根幹に関わる新粒子や新現象を確実に発見するのがLHC実験である。

本領域研究「テラスケール物理」は、

・LHCでの発見を主導的に行う。

・LHC実験で培った検出器技術を次世代実験に活かす。

・関連する理論研究を結集し、LHCでの発見の本質を研究することで、新しい素粒子物理の方向性を決定する。また宇宙物理などへの応用も行う。

・これらをもとに、次世代エネルギーフロンティア実験の方針を見据え、鍵となる新しい加速器・検出器技術の開発を総合的に行う。

テラスケールで発見される新しい物理は、「物質」や「力」などの研究ばかりでなく、その入れ物となる「真空」や「時空」の研究へと発展し、新しい自然観を創造するものである。またそれらは素粒子物理学のみならず、宇宙の進化の解明など、科学全般への計り知れない貢献をもたらすものである。

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まとめ

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参考のページ

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参考のページ

標準理論の精密検証とその破れから探る新物理