H - KEK

Report
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)
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
2
2013年10月8日
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: 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)。
3
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。
4
ここに
http://atlas.kek.jp/sub/video/CERN-MOVIE-2004-005_digest_oldPart.mov
を貼り付ける。
CERNの昔の映像 (http://cdsweb.cern.ch/record/809062 より抜粋)
5
LHC
トンネル
27 km
実験装置
ATLAS
CMS
ALICE
LHCb
計画承認
1994
建設完成
2008
建設費
~1兆円
6
LHC 加速器と実験装置
CMS
ALICE
トンネル周長 27km
設計値
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
ATLAS
2011/4/21
達成値(%)2012.8.25現在
1380 (50 %)
LHCb
7
CERN理事会における日本政府代表
与謝野文部大臣
ダルマ
CERN DG
Chris Llewellyn Smith
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。
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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
(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。
古河電気工業
新日本製鐵
東 芝
浜松ホトニクス
9
LHC加速器の超伝導マグネット
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
10
す。
超伝導とは
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)
温度
0
大電流を流すことができる
-265oC
超伝導の応用:
・ リニアモーターカー
強い磁場を作る
・ 磁気共鳴画像(MRI)
高いエネルギーの粒子を曲げる
11
ここに
http://atlas.kek.jp/sub/video/LHCMagnets.mov
を貼り付ける。
LHCマグネット組立・設置とビーム
(http://atlas.kek.jp/sub/video/LHCMagnetBeam.mov)
12
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
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)
日本・英・米などで製造されたシリコン検出器
15
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)
つくば市
つくば市
神戸大学
セルン地上
セルンの地下実験ホール
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
男女別年齢分布
20歳代
60歳代
17
2008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)
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LHCの運転状況(1日分)
ビーム1の陽子数
入射時に失敗
4 TeVでトラブル発生
ビーム2の陽子数
ビームのエネルギー
衝突実験中
ビーム加速と調整
ビーム入射
ビームダンプ
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陽子ビームバンチの形状と衝突
0.3mm (衝突点では16 mm)
160億個の陽子
~14 cm
バンチ数は1380個
リング全体で44 兆個の陽子
衝突回数:毎秒2千万回
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
20
ここに
http://atlas.kek.jp/sub/video/atlas-movie-japanese_digest.mov
を貼り付ける。
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)
21
電子(e)
陽子(p)
クォーク
水(H2O)
酸素(O)
中性子(n)
分子
原子
クォーク
素粒子
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u u
d
陽子
u
d d
中性子
u u
クォークの不思議
・ 裸(単独)のクォークはない。
・ 電荷量が分数である。
u
アップクォーク

d
ダウンクォーク

2
3
1
e
e
3
・ 強い力がクォーク間に働く。
パイオン
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素粒子の標準模型
質量
mg=0
mg=0
mW=80 GeV
mZ=91 GeV
ヒッグス粒子のみ未発見だった。
24
自然界には4つの力が存在する
強い力
> 電磁磁気力
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..
>
弱い力
>>>
太陽/星・放射能
…...
重力
落下りんご
月・太陽・
星・・・体重
力を伝える粒子
グルーオン
質量 = 0
光
質量 = 0
W粒子, Z粒子
(グラビトン)
陽子の100倍
(質量 = 0)
これが質量の問題
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太
陽
核融合反応
陽子
+
+
重水素
電子
+
エネルギー
ニュートリノ
陽子
弱い力
26
太陽内の核融合反応の実際
陽子
陽子
u u
d
u u
d
u
d
d
u
d u
重水素
W
電子
弱い力を
伝える粒子
ニュートリノ
27
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)
d
u
W
電子
弱い力を
伝える粒子
ニュートリノ
28
自発的対称性の破れ
(1959)
2008
CERNのT-shirt
(お土産グッズ)
南部陽一郎
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)
1979
S.ワインバーグ A.サラム
電弱理論 の提案(1967)
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。
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高
温
の
宇
宙
冷
え
た
現
宇
宙
光
mg  0
u
mu  0
W
mZ  0
光
mg  0
u
H
H
H
H H
W
H H
H
H
H H HH
H
H
H
m Z  80385 MeV
H
m u  2 MeV
ヒッグス場の海
(弱い力の海)
30
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
ここに
http://atlas.kek.jp/sub/video/CERN-MOVIE-2012-110_digest.mov
を貼り付ける。
(http://cdsweb.cern.ch/record/1462525 より抜粋)
31
見つかったヒッグス粒子の候補イベント
H -> g g
2つのガンマ線が発生してる。
H-> Z Z -> m m m m
4本のミュー粒子(赤線)が発生してる。
https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/AtlasPublic/EventDisplaysFromHiggsSearches を参照
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ヒッグス粒子さがしの現状
アトラス実験チームの結果
ヒッグス粒子の質量 [GeV]
CMS実験チームの結果
ヒッグス粒子の質量 [GeV]
[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。
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力の統一 = 物理学者の夢
現在
20 世紀
19世紀
量子色力学
強い力
磁気力
大統一?
電磁気力
マックスウエル
電気力
電弱理論
?
17世紀
ヒッグス……
弱い力
弱い力
地上重力
一般相対論
重力
ニュートン
天体重力
高いエネルギー
宇宙のはじめ
34
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
35
重力レンズ効果
銀河の回転速度
銀河クラスターの衝突
暗黒エネルギー
銀河クラスターの運動
暗黒物質
LHCで発見
されるかも
3°K宇宙背景輻射
光を出す通常物質
我々の宇宙の4%しか理解してない!
36
宇宙の歴史
LHCで10-12秒後までさかのぼる!
137億年前
1
1兆
秒
30万年
宇宙が透明になった
現在
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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。
38
日本語のウエブサイト
http://atlas.kek.jp
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。
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