物理学の最前線レポート

ヒッグス粒子の発見（実習つき）

2013年11月1日

近藤敬比古高エネルギー加速器研究機構(KEK), つくば市 1

復 習

• 物質の階層構造：分子＞原子＞陽子/中性子と電子＞クォークとレプトン

（それぞれ ６ 種類ある）・ 力は４種類ある：

強い力 ＞ 電磁力 ＞ 弱い力 ＞ 重力

・ 加速器：超伝導技術で高いエネルギーまで到達できた。

・ 質量の起源：宇宙はヒッグス場が素粒子に質量を与える。その証拠のヒッグス粒子がようやくLHCで発見された。

・ 検出器の例：宇宙線が通るとシンチレーターに微小な光が発生し、光電子増倍管で電気パルスに変換される。

2

2012年7月4日ヒッグス粒子発見の発表

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）。

2013.10.9 ＮＨＫおはよう日本

ビデオ

5

2013年ノーベル物理学賞

発表が１時間も遅れたのは

「CERN

にも授与すべきだと

の多くの議論があったため」

・・・・・

自然科学分野の３賞はこれ

まで個人に与えられてきた。

毎日新聞10/19

6

日本人が受賞したノーベル物理学賞

湯川秀樹

1965

量子電磁力学の分野における基礎研究

天体物理学、特に宇宙ニュートリノの検出に対するパイオニア的貢献

半導体におけるトンネル効果の実験的発見

朝永振一郎 + 2人

1973

1949

江崎玲於奈 + 2

2002

中間子の存在の予想

小柴昌俊 + 1

2008

素粒子物理学における自発的対称性の破れの発見

南部陽一郎

2008

益川敏英

小林誠

小林・益川理論とCP対称性の破れの起源の発見による素粒子物理学への貢献

7

セ ル ン

CERN （欧州合同原子核研究機構）

ジュネーブCERN

CERN

設立： 1954 加盟国： 欧州20カ国スタッフ： 約2,500人ユーザー数：10,000人年間予算： 1,000億円

WWW は1990年にCERNで発明された。

8

周長 26.6 km

主な実験装置ATLASCMS

ALICELHCb

計画承認 ：1994年建設完成 ：2008年

建設コスト～１兆円（人件費も含む）

L H C （大型ハドロン衝突型加速器）山手線ほどの大きさ

9

LHC加速器トンネルの大きさ

10

LHC加速器トンネル （地下約100m）

ビデオ

11

加速器の原理

電場で加速する

フレミングの左手の法則

磁場

力

)BυE(eF

×+= 　運動＝力

磁場

電流

磁場で曲げる

ローレンツ力の式

_____ ＿＿＿＿加速する 曲げる

加速を何度も繰り返して高いエネルギーに上げる。12

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

超伝導とは

温度

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

10

LHC加速器に使われた超伝導ケーブル組成：Nb+Ti+Cu, 13,000アンペアの電流を通す。 10

LHCマグネット組立・設置とビーム

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

ビデオ

16

リニアーコライダーはなぜリングでないの？

17

小川福岡県知事、古川佐賀県知事、松本福岡県議会議長らのCERN見学 (2013.5.13) 18

リニアーコライダーが直線の理由：放射光

磁場 B

光 放射光

光

光

ＩＬＣ ⇒ 電子は放射光を出してエネルギーを失う。ＬＨＣ⇒ 陽子が失うエネルギーは電子の10兆分の１。

19

アインシュタインの相対性理論から

E = MC2

エネルギー 質量 光速

エネルギー 質量 ：原子力・原子爆弾*核融合・太陽/星**

* 広島の原爆：1kgのU235の 0.68g の質量がエネルギーに変わった。

** 太陽の主なエネルギーは の核融合で毎秒1000トン近くの質量がエネルギーに変わる。

ν224 ++→ +eHeH

20

エネルギー 質量 ：加速器・ビッグバン

加速器では新しい素粒子を作り出す

陽子 陽子

陽子よりも質量の大きい粒子を作ることができる！

21

LHCが動き出した2010年3月30日13:28

に観測されたイベントの一つ

陽子ビーム

陽子ビーム

点が観測した測定点で曲線は計算機で飛跡を推定したもの。

約100個の粒子が作られている。

22

水（H2O）

酸素（O）

陽子（p）

電子（e）

中性子（n） クォーク

物質は何から出来ているか？

クォーク

分子 原子 素粒子23

これまで見つかった素粒子 1995年に発見

質量は陽子の183倍。

強い力を感じる

強い力を感じない

理論からの要請ー＞これらの粒子は質量をもってはいけない。

質量の問題

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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/星のエネ

ルギー・放射能・原子力・水爆….

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

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）

ビデオ

26

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)

27

運動方程式ヒッグス場（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）

2013

New!

u

Z

H H

H H

H

H

H

H

H

H

HH

H

H

H H

H

高温の宇宙

0=γm

MeV 2≈um

MeV 91188≈Zm

光

u

Z

0=γm

ヒッグス場の海（弱い力の海）

冷えた現宇宙

0=um

0=Zm

光

1960年代：「標準模型」の提案

1970年代：正しいことが実験で証明された。

ヒッグス粒子が最低一個存在するはず。

加速器が次々と作られたが見つからず。テバトロン（米）, LEP（欧州）, SSC（米：途中で中止）

2012年7月4日：LHC（欧州）で発見を発表.29

ヒッグス粒子の発見するための実験装置

建設期間：１４年 建設費： 約500億円＋α 30

建設中のアトラス実験装置 2005年11月 31

東芝京浜工場で製造中の超伝導ソレノイド 1998年 32

日本・英・米などで製造されたシリコン検出器

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）

33

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

34

東芝CMOSで製造。40万ゲート。

アトラス実験に４０万チャンネル使用中

大杉（広島大）新井（KEK）が発明。

微小時間差を直接デジタルに変換する。

CMOSメモリーのclockにdelayを入れる→ 特許

delay

clock

data

delay delay

日本の分担④ 時間デジタル変換チップ

35

2010年3月30日 7 TeVでの陽子・陽子衝突に初成功！

LHCコントロールルームでスクリーンを見つめるオパレーターと職員

７TeV衝突の成功を喜ぶアトラス実験チーム

36

ヒッグス粒子の探索法

・ ヒッグス粒子の質量は不明。114 GeV以上。

・ 頻度と崩壊が予言できる。２つの有力チャンネルは

・ 2011年と2012年で計400日ほど加速器と実験装置を運転し、約3000兆回の陽子・陽子衝突を観測した。

ZZＨ

γ

γＨ

ZZ

µ−

µ+

e−

e+

37

２つのガンマー線の親粒子の質量 [GeV]

https://twiki.cern.ch/twiki/pub/AtlasPublic/HiggsPublicResults//Hgg-FixedScale-Short2.gif

ビデオ

38

４個のレプトンの親粒子の質量

ビデオhttps://twiki.cern.ch/twiki/pub/AtlasPublic/HiggsPublicResults//4l-FixedScale-NoMuProf2.gif

39

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

H-> Z Z -> µ µ µ µ４本のミュー粒子（赤線）が発生してる。

H -> γ γ２つのガンマ線が発生してる。

40

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）

ビデオ

41

著者名

本文

ヒッグス粒子発見のときのアトラスの論文

42

最後の粒子が見つかった！！

素粒子の標準理論の完成！

43

mg=0

mγ=0

mW=80 GeVmZ=91 GeV

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

44

ヒッグス……

19世紀 17世紀20 世紀

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45

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

46

LHCで発見されるかも

LHCで10-12秒後までさかのぼる！

47137億年前 秒 38万年 現在

宇宙の歴史

１

１兆宇宙が透明になった

3分元素合成

実習：宇宙線をシンチレーターで検出する

地上には二次宇宙線がたえず降りそそいでいる。

48

シンチレーター アクリルのライトガイド

光電子増倍管（フォトマル）（電子数を100万倍にする）

光

ここで光が電子をたたき出す（光電効果）

49

高電圧電源

50Ω50Ω

光電子増倍管

光電子増倍管

実習のセットアップ

デジタルオシロスコープ

50Ω 同軸ケーブル

CH1 CH2

デジタルオシロスコープのセットアップ

CH1: 50mV/div

CH2: 50mV/div

水平掃引： 20 ns/divトリガー: CH1・エッジ・立下り・直流 トリガーレベル＝-30mV

復 習

• 物質の階層構造：分子＞原子＞陽子/中性子と電子＞クォークとレプトン

（それぞれ ６ 種類ある）・ 力は４種類ある：

強い力 ＞ 電磁力 ＞ 弱い力 ＞ 重力

・ 加速器：超伝導技術で高いエネルギーまで到達できた。

・ 質量の起源：宇宙はヒッグス場が素粒子に質量を与える。その証拠のヒッグス粒子がようやくLHCで発見された。

・ 検出器の例：宇宙線が通るとシンチレーターに微小な光が発生し、光電子増倍管で電気パルスに変換される。

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復 習

• 物質の階層構造：分子＞原子＞陽子/中性子と電子＞クォークとレプトン

（それぞれ ６ 種類ある）・ 力は４種類ある：

強い力 ＞ 電磁力 ＞ 弱い力 ＞ 重力

・ 加速器：超伝導技術で高いエネルギーまで到達できた。

・ 質量の起源：宇宙はヒッグス場が素粒子に質量を与える。その証拠のヒッグス粒子がようやくLHCで発見された。

・ 検出器の例：宇宙線が通るとシンチレーターに微小な光が発生し、光電子増倍管で電気パルスに変換される。

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