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CDF 実験における余剰次元探索. 第1回「アインシュタインの物理」でリンクする研究・教育拠点研究会 2008年10月11日 (土) 高エネルギー物理学研究室 清矢良浩. 重力相互作用の強さ. プランク質量:. 重力相互作用の強さ. ( = 微細構造定数 ). において重力は他の相互作用 と同程度に強くなる. 電弱相互作用スケール. 電弱ゲージ相互作用の媒介粒子:. 電弱ゲージ対称性の破れの質量スケール. 階層性問題. >10 16 GeVをカバーする安定な理論を構築できるか? なぜ なのか?. - PowerPoint PPT Presentation
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CDF 実験における余剰次元探索
第1回「アインシュタインの物理」でリンクする研究・教育拠点研究会
2008年10月11日 (土)
高エネルギー物理学研究室 清矢良浩
重力相互作用の強さ
r
mmGr N
21)(
11 3 1 2
39 2 22
6.67 10 m kg s
6.71 10 (GeV / )
N
Pl
G
cc cM
19 21.22 10 GeV /PlM c プランク質量:
1 22
( )Pl
G
mm
M
cr
r
1
13(
7)EM
c cr
r r
( = 微細構造定数 )
において重力は他の相互作用と同程度に強くなる
PlMm
重力相互作用の強さ
電弱相互作用スケール
電弱ゲージ相互作用の媒介粒子: 0 , ZW
291 GeV/Zm c
280 GeV/Wm c
電弱ゲージ対称性の破れの質量スケール
TeV 1~GeV 100EWM
階層性問題
EWPl MM
>1016 GeVをカバーする安定な理論を構築できるか?なぜ なのか?
標準模型には問題あり( fine tuning, 自然さ問題)
超対称性,テクニカラーなどの新現象の提案
Pl EWM M
余剰次元の提案N. Arkani-Hamed, S. Dimopoulos, G. Dvali (ADD)
Phys. Lett. B 429 (1998) 263
“ 大きな”余剰次元( LED=Large Extra Dimension )4+n 次元
L. Randall and R. Sundrum (RS)Phys. Rev. Lett. 83 (1999) 3370
“ ゆがんだ”余剰次元5 次元
4+n次元における重力ポテンシャル
0 1 21
( ) N n
mmr G
r
0N
N nc
GG
r
真に基本的な重力定数
余剰次元のサイズを とすると の巨視的空間では
crcrr
“ 大きな”余剰次元 =LED (ADD)
0N
N nc
GG
r小さな は適当に大きな余剰次元のためであり は必ずしも小さくない 0
NGNG
21
2
0
310 cmPln
cr MM
20 /TeV 1 cM
20
0 1
MGN とおくと
のとき)2( cm 10
)1( cm 102
13
nr
nr
c
c
r
mmGr N
21)(
万有引力の法則の直接検証は 程度1 mmr
重力相互作用のみ可能な,適当に大きな余剰次元 は検証・排除されていない電弱スケールと重力スケールは同程度,つまり 基本的スケールは1つのみ
“ 大きな”余剰次元 =LED (ADD)
(今は 10m 程度)
LED (ADD) の現象論
余剰次元内にたくさんの励起モード (Kaluza-Klein モード )中性で重力相互作用のみ
終状態における消失エネルギーの発生
( )2
c
yir
c
ex
r( n=1 の場合)
ではブラックホール蒸発 20( 1 TeV/ )E M c
ゆがんだ余剰次元(RS)
余剰次元方向へ激しく変化する計量
2 2kyds e dx dx dy
3024/ Mk
0y
標準模型の粒子
20| | 0 V 10| | 0 V
宇宙項 0
1 2 /V V ky L
ゆがんだ余剰次元(RS)
3
2 20 (1 )kLPl
MM e
k
0kLm e m
粒子の真の基本的な質量スケールを とすると0m
0k M とすると
0 0 PlM m M
30kL 程度で
21 TeV/m c 1610
ゆがんだ余剰次元(RS)の現象論
Massive Kaluza-Klein モード(RSグラヴィトン)
オーダー1の結合定数 (パラメター= )
標準模型の粒子への崩壊
21 TeV/ckr
Pl
m ke k cM
/ Plk M
物質粒子
電荷
2/3
1/3
0
1
ハドロン
バリオン メソン1 2 3q q q 1 2q q
ud
p uud
n udd
物質粒子
mN~1GeV/c2
1 GeV
100 GeV
質量
敷地 ~ 5 km x 5 km
Fermilab
超伝導加速器テバトロンクウェンチしばしば
テバトロン陽子・反陽子衝突器36 x 36 バンチ
1バンチサイズ : 半径 ~ 30 m, 長さ ~ 60cm
バンチあたり: Np ~ 260109, Npbar ~ 60109
(最小)バンチ間隔 = 396 ns (~120 m) , 平均 1.7 MHz
ビームエネルギー = 980 GeV
約24時間ごとにビーム廃棄及び入射
%9999.99cv
反応断面積とルミノシティー
事象数=反応断面積 ルミノシティー = L(ビーム強度)
断面積の単位の例: pb (ピコバーン) = 1012b = 1036 cm2
ルミノシティーの単位: pb1 など
瞬間ルミノシティー: 1032 cm2/s = 0.1 nb1/s (現在の性能:1時間あたりトップクォーク生成事象数~7)
2001.04.01 2008.10.01
Design = 21032 cm2/s
最大瞬間ルミノシティー
積分ルミノシティー
Total 5 fb1
陽子・反陽子衝突の描像
素粒子レベルの反応断面積
q, g q, g
Hadronization•クォーク・グルーオンのハドロンへの転化。
q, g
K
方向的に集中した粒子群(ジェット)として観測。
電子など“T” = transverse
ビーム軸
p p
横運動量 ( PT=Psin )“ 横”エネルギー (ET=Esin ) 散乱の激しさを
表す
陽子・反陽子衝突
Process Cross-section Rate
( 1032 cm-2/s の場合)
Inelastic pp
Inclusive jets (ET>40)
ppbb
pp→WX →(e)X
pp→tt
pp→WH (if MH=115GeV)
60000000000 pb
250000 pb50000 pb2500 pb
7 pb0.2 pb
6.0 MHz
25 Hz5 Hz
0.25 Hz0.0007 Hz
0.00002 Hz
陽子・反陽子衝突
CDF 実験
CDF = Collider Detector at Fermilab
CDF 実験の歴史日、米、伊の国際協力実験として始まる。
積分ルミノシティー
共同実験者数
1981.11984-851985.101987.1-87.51988.6-89.51990-921992.4-93.51993.12-95.81995.10-96.2-2000.秋2000.秋-01.春2001.3-
設計報告書テストビーム最初の陽子・反陽子衝突テストラン。最初の物理。Run 0
テストビームRun Ia
Run Ib
Run Ic
検出器増強立ち上げRun II
(~20 events)
25 nb-1
4.4 pb-1
19 pb-1
80 pb-1
7 pb-1
~ 5000 pb-1
87名
190名
358名
~750名 スタッフ~450 学生 ~300
CDF Detector
Total 1 M channels
CDF 検出器
消失横エネルギー
LED 探索: γ +消失エネルギー
LED 探索:ジェット+消失エネルギー
LED 探索結果
2つの μ 粒子の不変質量分布に共鳴を探す
RSグラヴィトン探索:
プロットは質量の逆数
pp
RSグラヴィトン探索結果: pp
RSグラヴィトン探索: pp ee
RSグラヴィトン探索結果:pp ee
RSグラヴィトン探索結果:pp ee
RSグラヴィトン探索: pp ZZ eeee
まとめ
20 1.4 1.0 TeV/ ( 2 ~6)M c n
LED 排除 @ 95% C.L.
20.3 0.9 TeV/ ( 0.01~0.1)Pl
km c
M
RSグラヴィトン排除 @ 95% C.L.
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