セミナー @ 岡山大学 2016.02.17

1. コライダー、ニュートリノ、750 GeV
東京大学
理学系研究科
素粒子論研究室
高江洲
義太郎
たかえす よしたろう

2. 自己紹介
• 高江洲 義太郎（たかえす よしたろう）
• 現職：東京大学 理学系研究科 物理学専攻
素粒子論研究室 特任研究員（ポスドク歴4年）
• 年齢：３７歳
• 既婚。お互いの仕事を尊重し合い、別居婚を３年がんばるも
今年４月に長女が誕生！
稼ぎのいい妻がいる岡山に移ることを決意！！
娘のベストショット ー＞

3. 私は何屋さんか？
素粒粒⼦子理理論論が専⾨門
標準理理論論の実験での検証
および
標準理理論論の拡張
に興味をもってやってきた。具体的には。。。
• コライダー 理理論論予測計算ツール開発
• ニュートリノ 質量量階層性・CP位相への実験感度度の推定
• 新物理理探索索 最近では 750 GeV excess

4. 単位系について
c = = 1
このトークでは⾃自然単位系を使います。特に、
質量量、運動量量、エネルギー [GeV]
109
eV
なじみのない⽅方、すみません。。。

5. コライダー
私の⼤大学院
研究⼈人⽣生ここからスタート

6. LHC (⼤大型ハドロンコライダー）＠ CERN (スイス）
⾼高エネルギー 陽⼦子ー陽⼦子 衝突実験
陽⼦子対の⼊入射エネルギーは 7.5 TeV × 2 = 13 TeV
eV1012
p
p

7. 陽⼦子ー陽⼦子 衝突イベント
p
p

9. Simulation
is
an
important
tool
Theory Experiment
Simulation

10. LHC での pp 衝突のシミュレーション

11. LHC での pp 衝突のシミュレーション
Event generator
(parton level)
MadGraph

12. gluonを多く含む散乱過程の計算は⼤大変

13. 散乱過程の計算時間を短縮
10
3
104
10
5
10
6
107
2 3 4 5 6
Time(sec)
Final Gluons (n)
gg -> ng Timing
LC ch
MG5 LC
Sherpa
LC ch parallel
MG5 LC parallel
100,000
events
with
1
core
CPU
/
~
100
core
cluster
(KEKCC)

14. ニュートリノ
最初のポスドクは韓国
ニュートリノ研究所に雇われる
（居室⾃自体は KIAS)

15. ニュートリノ物理理の未解決問題
• ディラック粒子？ マヨラナ粒子？
• 質量のスケールとその起源？
• 第４のニュートリノ？
• CP の破れ？
• マヨラナ CP 位相？
• ディラック CP 位相？
• 質量階層性？

16. ニュートリノの質量量階層性問題
質量２乗差
３つの軽いニュートリノの
重さ順序の可能性は
２つ
Normal
Hierarchy
(NH)
Inverted
Hierarchy
(IH)
質量量固有状態 (i = 1, 2, 3)

17. 質量量階層性を探る振動実験
実験中
建設中
申請中
T2K/T2HK&
DUNE%
Nova%
PINGU&
INO
RENO50
ESSnuS
• T2K
(LBL,
22.5kt
WC)
(2011
~
)
• Nova
(LBL,
14kt
LAr)
(2014
~
)
• INO
(atm,
50kt
Iron)
(2018
~
)
• JUNO
(react,
20kt
LSci)
(2020
~
)
• RENO50
(react,
18kt
LSci)
(2022
~
)
• ORCA
(atm,
3Mt
Ocean)
(2020
~
)
• PINGU
(atm,
3Mt
Ice)
(2021
~
)
• DUNE
(LBL,
40kt
LAr)
(2024
~
)
• T2HK
(LBL,
560kt
WC)
(2025
~
)
• ESSnuSB
(LBL,
500kt
WC)
(2030
~
)

18. 質量量階層性を探る振動実験
実験中
建設中
申請中
T2K/T2HK&
DUNE%
Nova%
PINGU&
INO
RENO50
ESSnuS
• T2K
(LBL,
22.5kt
WC)
(2011
~
)
• Nova
(LBL,
14kt
LAr)
(2014
~
)
• INO
(atm,
50kt
Iron)
(2018
~
)
• JUNO
(react,
20kt
LSci)
(2020
~
)
• RENO50
(react,
18kt
LSci)
(2022
~
)
• ORCA
(atm,
3Mt
Ocean)
(2020
~
)
• PINGU
(atm,
3Mt
Ice)
(2021
~
)
• DUNE
(LBL,
40kt
LAr)
(2024
~
)
• T2HK
(LBL,
560kt
WC)
(2025
~
)
• ESSnuSB
(LBL,
500kt
WC)
(2030
~
)

19. PMT
原⼦子炉ニュートリノ実験
原子炉 検出器
Inside
Detector
Inverse
Beta
Decay
(IBD)

20. @
detector
far
Neutrino
oscillation
エネルギー分布

21. エネルギー分布
NH
IH

22. 実験感度度
18kton
16.5GW
5yrs
(RENO-­‐50)
現在の値
NH

23. E.
Ciuffoli,
J.
Evslin,
X.
Zhang:
1302.0624
Y-­‐F.
Li,
J.
Cao,
Y.
Wang,
L.
Zhan:
1303.6733
ΔL
=
L1
–
L2
原子炉間の干渉効果
L1 L2

24. 原子炉間の干渉効果 (感度地図)
16.5GW
18kton
5yrs
(RENO-­‐50)
a
=
3%,
b
=
0.5%
50
km

25. 原子炉間の干渉効果 (感度地図)
16.5GW
18kton
5yrs
(RENO-­‐50)
a
=
3%,
b
=
0.5%
50
km
250m

26. multi-­‐cores
原子炉間の干渉効果 (感度地図)
16.5GW
18kton
5yrs
a
=
3%,
b
=
0.5%
50
km
250m

27. multi-­‐cores
原子炉間の干渉効果 (感度地図)
16.5GW
18kton
5yrs
a
=
3%,
b
=
0.5%
50
km
250m

28. multi-­‐cores
原子炉間の干渉効果 (感度地図)
16.5GW
18kton
5yrs
a
=
3%,
b
=
0.5%
50
km
250m

29. multi-­‐cores
原子炉間の干渉効果 (感度地図)
16.5GW
18kton
5yrs
a
=
3%,
b
=
0.5%
All
Reactors
50
km
250m

31. 750 GeV
東⼤大に移ってからは
新物理理研究のコラボレーション
が増えた

32. LHC (⼤大型ハドロンコライダー）＠ CERN (スイス）
⾼高エネルギー 陽⼦子ー陽⼦子 衝突実験
陽⼦子対の⼊入射エネルギーは 計 13 TeV(1TeV = eV) 1012
p
p
（ 8TeV ~∼2012 年年)
ATLAS, CMS 実験

33. ATLAS, CMS 実験グループが、
陽⼦子衝突からの散乱粒粒⼦子に「⾼高エネルギーの光⼦子２つ」
を含むイベントを蓄積し、光⼦子対の不不変質量量分布を解析した。
p
p
X
}m = (p 1
+ p 2
)2
> 500 GeV (CMS)
> 200 GeV (ATLAS)
p = (E, px, py, pz)
(他の散乱粒粒⼦子、
衝突した陽⼦子のかけら等)

34. m

35. ATLAS-‐‑‒CONF-‐‑‒2015-‐‑‒081
m

36. ATLAS-‐‑‒CONF-‐‑‒2015-‐‑‒081
m
m = 750 GeV

37. ATLAS-‐‑‒CONF-‐‑‒2015-‐‑‒081
EXO-‐‑‒15-‐‑‒004-‐‑‒pas
m = 750 GeV
m = 760 GeV

38. ATLAS-‐‑‒CONF-‐‑‒2015-‐‑‒081
EXO-‐‑‒15-‐‑‒004-‐‑‒pas
m = 750 GeV
m = 760 GeV
3.9(2.3) (45 GeV の崩壊幅)
2.6(1.2)
3.6(2.0) (検出器の分解能
より狭い崩壊幅)
{
(狭い崩壊幅）
* 発⾒見見と呼ぶには 5 σ の信頼⽔水準が必要
m

39. 未知の素粒粒⼦子解釈
p
p
この素粒粒⼦子 について、⼿手がかりは何か？
m 750 GeV
⽣生成断⾯面積 × 崩壊分岐⽐比
arXiv:1601.03696
O(1) fb
50 GeV?
スピン 0 or 2

40. スピン0 : 有効相互作⽤用
Le =
1
Bµ Bµ
+
2
Wi
µ Wiµ
+
3
Ga
µ Gaµ
結合定数
この理理論論の適⽤用限界のエネルギースケール
B
B
Wi
Wi
Ga
Ga
1
1
1
2
1
3
1 1
Z
1
ZZ
Z
Z
Z
* (pseudo-‐‑‒scalar でも
崩壊分岐⽐比はほぼ同じ)1
i
i
1
2
W+
W

41. 750 GeV スカラー粒粒⼦子の崩壊幅
(m mZ, mW )
1
=
cos2
W
1
+
sin2
W
2
1
Z
= 2 sin W cos W
1
1
+
1
2
1
ZZ
=
sin2
W
1
+
cos2
W
2

42. LHC (13TeV) での断⾯面積
LHC(pp )Br( AB) = LHC(pp )Br( )
Br( AB)
Br( )
O(1) fb
Excluded by 8TeV LHC
( Z mode)
gg mode は
検出できないかも
⾒見見えないかも

46. コライダーでの断⾯面積
* 将来実験（アイディア段階）
の平均衝突エネルギー: ~∼750 GeV
積分ルミノシティ: 1000 1/fb
gg : 170 fb 1

47. コライダーでの断⾯面積
* 将来実験（アイディア段階）
gg : 170 fb 1
gg mode が⾒見見える!
mode もきっと⾒見見える
1 : 2 : 3 が分かる！
他の mode も⾒見見えるかも
理理論論の検証が可能！
の平均衝突エネルギー: ~∼750 GeV
積分ルミノシティ: 1000 1/fb 検出しやすさ

48. まとめ
理理論論家の⽴立立場から、
• コライダー (LHC)での理理論論予測計算ツール開発
• ニュートリノ質量量階層性・CP位相への実験感度度
• 新物理理探索索（最近では 750 GeV excess)
に関する研究を⾏行行ってきました。
４⽉月からお邪魔する予定です。
宜しくお願いします。