エネルギーフロンティアLHC実験
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光とアイデアで拓く新しい素粒子実験
LHC加速器
浅井研究室
エネルギーフロンティアLHC実験
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光とアイデアで拓く新しい素粒子実験
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何の組み合わせ?
従来の「素粒子」研究
から一歩進んで
真空・時空「容れもの」
の研究
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浅井研究室
容れものの科学? 光素粒子?
ひょっとして マッドサイエンス?
世界最高エネルギーLHC実験での研究:日本の中心研究室
一周27 km 地下トンネル,
超伝導磁石(左写真)
陽子を超高エネルギー
まで加速・ 衝突させる。
ヒッグスや超対称性を研究
TOTEM
衝突する場所に検出器を置いて
反応を調べる ATLAS
事象数 / 2 GeV
ヒッグス粒子発見! 3500
ATLAS
Data
ヒッグス+バックグラウンド 分布
3000
バックグラウンドの分布
2500
2000
1500
1000
s=7 TeV, ∫ Ldt=4.8fb-1
500
s=8 TeV, ∫ Ldt=5.9fb-1
100
H→γ γ
発見されたヒッグスの信号
110
120
130
140
150
160
mγ γ [GeV]
2013年ノーベル賞
ノーベル賞=終わった分野?
標準理論は終わり
ヒッグス粒子発見が意味すること
(1)真空は空っぽでない
スピン
L
スピン
R
質量がある:
光速より遅い
光速で追い越す
左巻きは 「弱い相互作用」感じる vs 右巻きは感じない
qR
qL
X <φ >
ヒッグス場に満たされた真空
L とRは元々別の粒子 真空はニュートリノの様な性質
(電荷)をもった、変な場にみち
ている!!
真空はいろいろな場 → “真空”の場の研究がこれから大事その1
€
「軽い126GeVのヒッグス粒子がいた。」ってことは、
すぐそこに新しい対称性がある。 超対称性 これから大事その2
(2) 時空の研究:超対称性粒子
「力の大統一」や「暗黒物質」
スピン:素粒子から空間がどう見えているか? S=½ 2回転対称 vs S=0,1 時空の対称性と素粒子のもつ対称性を融合する:超(ちょー)対称性
皆さんが入学する頃 LHCのエネルギー 8→14TeV 超対称性の利点ー>暗黒物質の正体を解明:
(暗黒物質の証拠写真:弾丸銀河団) 大統一・超統一 物理学は統一の歴史そのもの
力の強さは、どんな種類の
粒子がいるかで変化する。
“超”粒子がいると、、
電磁気
弱い力
強い力
3つの力がひとつだった!
君も歴史の当事者
になれる
O(1TeV)
O(10 13 TeV) O(1016 TeV)
起こった反応を捕らえるATLAS検出器 (ミューオン検出器の
性能向上)
人間
直径22m 長さ44m 1.6億チャンネル高性能
本研究室が目指す物理
LHC/ATLAS実験での研究を行う
エネルギーフロンティアの本家
(素粒子物理国際研究センター)
日本の物理研究を統括しています。
(1) ヒッグス粒子から
真空の解明 (2) 超対称性粒子の発見
時空と素粒子の融合
「力の大統一」の実現 「暗黒物質」の解明
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CERN組
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博士課程院生:7人
スタッフ:10人
私も 20-30% CERNに存在
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CERNの中でも屈指の組織
2つの別角度から研究 を推進
(A)LHCは、エネルギーをつぎ込
んで直接研究する
エネルギーフロンティアの正規軍
(B)非加速器実験
エネルギーは低いけど、新しい技術
開発で高感度実験:
加速器が探れない様なもっと高い
エネルギーを間接的に探る
アイデアを出して、新しい実験を
プロポーズ 少人数(ゲリラ部隊)
“光”素粒子
ポジトロニウム
未知粒子を直接発見を通して
真空・時空・宇宙の成り立ちに迫る
何故 超高エネルギーでの素粒子現象が低エネルギーで見えるの?
完全な対称性 質量ゼロ NG
近似的な対称性がやぶれると
擬南部ゴールドストーンボソン
g(結合)= f(近似)/Λ
mass= f(近似)2 / Λ
シーソーのような構造になる
弱い結合の軽い粒子を高感度で探る
=Λ 超高エネルギーの物理を探る
(A)最高強度X線光源 SACLA/Spring8 を用いた 光素粒子実験
X線領域の世界最高の強度光源 アンジュレーター Spring 8
自由電子レーザー SACLA
FEL
からの
強力な
光
真空の構造
が見える
散乱光
を捉える
電子・陽電子の揺らぎ
未知の場(ヒッグス場の様な)
(B)最強パルス磁場を用いた 光素粒子実験
>10T 強力パルス磁場を生成
めざせ100T
QCDの真空に関係した
1)  Axionの探索
強力な磁場
2)  光の伝搬への影響 (複屈折) 強力な磁場
QED: 偏極面が変わる
だれも見たことない
未知の場:QEDの予言から
ずれる
(C) ポジトロニウムを用いた素粒子研究 (4年生やM1) 電子と陽電子が作る一番軽い”原子” Positron
Electron
合成スピン 1 光と同じ状態
0 真空と同じ状態
Psは、物質とその反物質で
γ線のエネルギースペクトラム精密検証 出来ている唯一のサンプル
反物質の重力
への応用
QEDの精密検証
多くの成果をあげてたが、、
(D) ミリ波分光装置と光素粒子分野の開発
THz (ミリ波) まだ開発途上の分野:
(光と電磁波のちょうど中間:ミリ波直接遷移は
まだ観測例がない) → 新しい光源、光技術 → “光”素粒子実験
>10kw
102 6 光子
をとじこめ
Ps
光と同じ量子状態 -> 真空と同じ量子状態
HFS遷移のBW共鳴を直接測定
(強力ミリ波源)
(E) ブラックホール・ホーキング輻射とウンルー輻射 (時空の構造を探る) 一般相対性理論: 等価原理
「重力場と加速場は同じ」と言うことは、
加速している系からみると、ホーキング
輻射と同じ現象(ウンルー輻射)が見え
る。ブラックホールを、
別の角度(ウンルー輻射)から見よう。
強力レーザー I=1017W/cm2 で電子を加速:
電子がみる真空の温度
kT=0.06eV ミリ波になる。
ミリ波の検出器・光源開発がここでも
活かされる “光”素粒子実験 真空から粒子を作り出す。(動的カシミール) (東京組)
修士課程の間は、東京をベースに
LHC物理解析・新しいミューオン検出器開発をやっても
光関係の小実験 もちろん両方やってもOK 手厚い教育(おおくのスタッフでサポート)
(1)  輪講: quark and lepton, Leo
(2)  新しい実験アイデアをみんなで考える論文輪講
(3) レギュラーmeeting:(研究の進捗を見ていろいろ皆で考える)
自然科学は実験で実証されてナンボ
「学生実験面白くなかったな、、」と心配する皆さん (私もそうでした)
実験の醍醐味 三カ条
(1) 自分で提案する。
こんな新しい方法で、実験出来ないか? こうした面白いことできないか、、アイデアをもっておく。
自分で新しい実験を提案する。
(2) 自分でいろいろ試みながら新しい装置を作る。
実験装置を自分で実験に最適になるように製作。
(3) ドキドキしながらデータを見る。
答えの解っている実験はしません。新しい実験、だれもしてない実験 2015
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LHC
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浅井研究室 - 東京大学素粒子物理国際研究センター