ハドロンコライダーの物理
Introduction
ゲージ対称性とGWS模型
コライダー実験
検出器と object ID
標準理論関係
ヒッグス探索
超対称性
最後に
素粒子物理学とは?
◦有史以来の問いかけ
◦宇宙は何からできていて、どういう性質を持って
いるのか?
◦物質、エネルギー、時間、空間とは何だろう?
◦我々はなぜ存在するのか?どこから来てどこへ行
くのだろうか?
昔は哲学 ➠ 自然科学として理解したい
2
わかっていること
世界を作っている粒子は3種類(らしい)
物質を構成するフェルミオン(スピン 1/2)
力を媒介するゲージボソン(スピン 1 or 2?)
質量の源となる粒子
量子原理、相対性原理、ゲージ原理の3つが宇宙を支配
する根源的なルール(らしい)
相互作用は4種類(今までのところ)
強い力 : QCD
標準模型
電磁気力
QED
弱い力
重力
3
標準模型に対する制限(測定値と計算値)
Measurement
(5)
∆αhad(mZ)
mZ [GeV]
Fit
0.02758 ± 0.00035 0.02768
91.1875 ± 0.0021
91.1875
2.4952 ± 0.0023
2.4957
0
41.540 ± 0.037
41.477
Rl
20.767 ± 0.025
20.744
ΓZ [GeV]
σhad [nb]
0,l
Afb
Al(Pτ)
0.1465 ± 0.0032
Rc
0.1721 ± 0.0030
0.1722
0,b
0.0992 ± 0.0016
0.1038
0,c
0.0707 ± 0.0035
0.0742
0.923 ± 0.020
0.935
0.670 ± 0.027
0.668
0.1513 ± 0.0021
0.1481
sin θeff (Qfb) 0.2324 ± 0.0012
0.2314
Ab
Ac
Al(SLD)
2 lept
mW [GeV]
ΓW [GeV]
mt [GeV]
meas
3
標準模型が正しいと
言ってもよさそう
ヒッグスセクター
はテストされてい
ない
0.1481
0.21629 ± 0.00066 0.21586
Afb
fit
−O |/σ
1
2
0.01714 ± 0.00095 0.01645
Rb
Afb
meas
|O
0
80.398 ± 0.025
80.374
2.140 ± 0.060
2.091
170.9 ± 1.8
171.3
0
1
4
2
3
わかっていないこと 質量の起源
ゲージ対称性により
ゲージボソンの質量はゼロ
mγ, mg = 0
mW, mZ 0
フェルミオンの質量もゼロ(あるいは mu = md など)
ゲージ対称性の破れ、質量の起源は??
なぜ質量に 大きな 違いがあるのか?
5
わかっていないこと 力の統一
History
of
Unification
素粒子物理学の歴史は統一の歴史
atoms
electric
planets apple
magnetic
electromagnetism
Quantum mechanics
gravity mechanics
#-decay
Special relativity
GR
Quantum ElectroDynamics
Electroweak theory
String theory?
Grand Unification?
6
Weak force
"-decay
!-decay
Strong Force
!"#$#%"&$'()*'"+%#,(-./0*1
!"#$#%"&$'()*'"+%#,(-./0*1
""
Introduction
r
r
!
!! #$
! !#$!
v""2! ""!GM
=
#$
!! #$
!!
"
"
2
v=
Matter (DM) density
of the universe
Mh
"
!
! #$
#$
!!
! !
わかっていないこと 宇宙は何からできているか?
"
"
"
2
!
GM
r
73%
= 0.113 ± 0.009 (WMAP)
Very precious !!DM<10%
既知の粒子は宇宙の全質量の
わずか4%
What is the DM?
7
Dark Matter
23% Atom
4%
Search for MACHOs
ダークマター候補
(Massive Compact Halo
Objects)
光らない天体
Large Magellanic Cloud
MACHO(MAssive Compact Hallo Object)
ダークマターの質量に足りない
m Stars?
bjects)
Not enough of them!
34
素粒子
標準模型内ではダメ
超対称性粒子が有力候補
8
9 Big Questions in Quantum Universe
Einstein s Dream of Unified Force
1. Are there undiscovered principles of nature: new
symmetries, new physical laws?
2. How can we solve the mystery of dark energy?
3. Are there extra dimensions of space?
4. Do all the forces become one?
The Particle World
5. Why are there so many kinds of particles?
6. What is dark matter? How can we make it in the
laboratory?
7. What are neutrinos telling us?
The Birth of the Universe
8. How did the universe come to be?
9. What happened to the antimatter?
9
最重要課題(個人的バイアス)
質量の起源の解明
標準模型を超える新しい物理現象の発見
素粒子物理学の新しい方向を見い出す
エネルギーフロンティア実験が王道
Tevatron
LHC
10
なぜ高エネルギーか?
高エネルギー = 短波長
より小さな物を 見る ことができる
h
p=
λ
高エネルギー = 高温度
宇宙の歴史を遡る
温度が下がると、より高い対称性を持った状態から
自発的な対称性の破れ(相転移)
逆に高いエネルギー状態を作ることで破れた対称性
を回復させる
そこで何が起きるのか、対称性がどのように破れ
たのか?
11
10 -44
10 19 10 -37
10 15 (s)
10 -10
10 2 (s)
12x
10 9
2.3
x10 -1 (yr)
3
(Ge
V)
12
10 -44
10 19 10 -37
10 15 (s)
10 -10
10 2 (s)
• TeV (=1012 eV)での物理からもっと高いエネルギースケール
(さらなる初期宇宙)での物理を見通す
12x
★1015 GeV: 大統一スケール(電弱と強い力の統一)
10 9
2.3
x10 -1 (yr)
3
19 GeV: プランクスケール(重力との統一)
(Ge
10
★
V)
13
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