ヒッグス粒子の発見

信州大学理学部 長谷川庸司

第2回 サイエンスポット信州 2013年1２月２１日

話の内容 素粒子物理学の実験的研究 素粒子物理学の始まり 粒子加速器 測定器

ヒッグス粒子の発見 ヒッグス粒子とは何か 新粒子の発見 本当にヒッグス粒子か？

素粒子とは何か

『物質をどんどん細かく分割して行くとどうなるの

か？』

ギリシア時代からの素朴，かつ深淵な疑問

その物質の性質を保ったまま，無限に細かく分割できるのか？

「それ以上分割できないもの」があるのか？

人類は「それ以上分割できないもの」があると考えてきた。

実験的研究が可能になって「素粒子物理学」が始まった。

素粒子物理学の始まり － 電子の発見 －

J.J.トムソンによる電子の発見（1897年）

陰極線が電子であること発見 負電荷，質量が水素原子の約1/1800 直接に目で見える。 原子の中に電子⇒原子は素粒子でな

い。 「ブドウパンモデル」と呼ばれる原

子模型を提唱

この発見が素粒子物理学の始まり 電子はいまだ素粒子

陰極線

クルックス管 磁石

J.J. トムソン

素粒子物理学の始まり ― 原子核の発見 ―

ラザフォードによる原子核の発見（1911年） α線の散乱実験 原子核の周りを電子が回る原

子モデルを提唱。

陽子の発見（1918年） 当時の素粒子

中性子の発見（1932年） 弟子のチャドウィック

散乱実験とはどのような実験か？

ラザフォード

素粒子物理学の始まり ― 原子核の発見 ―

散乱実験

構造をしらべる方法

金の薄膜にα線をぶつけ，散

乱されたα線の様子を観測

「硬い芯」⇒原子核

今につながる素粒子探索の

手法

「トムソンのブドウパンモデル」

α線

α線

ものを「見る」とは？

「ラザフォードの原子モデル」

ものを「見る」原理

「もの見る」 ＝ 対象物に「粒」や「波」をぶつけて，散乱（反射なども含む）された「粒」や「波」を観測 可視光は波の一種

波長より小さな ものは見えない。 小さなものを見るには，波長の短い「波」が必要。

波長 波は対象物に影響されにくく，対象物に関する情報が得られない。

波は反射や散乱され，対象物に関する情報が得られる。

長波長の波

短波長の波 波長

小さな物体を「見る」装置（光学顕微鏡）

光学顕微鏡 波＝可視光 可視光の波長：380nm（紫）～750nm

（赤） ⇒１μm（＝1000nm）程度の細菌が見られる。

もっと小さなものを見るには 例えば，電子顕微鏡 電子顕微鏡はどのような「波」を用い

て「見る」のか。

可視光

対象物

可視光

小さな物体を「見る」装置 （電子顕微鏡）

電子を使って物を見る装置 電子は「粒」か「波」か？ 小さな世界は量子力学が支配 粒子は，「粒」と「波」の性質を併せ持つ

「粒」や「波」の波長とエネルギーの関係

波長は粒子のエネルギーに反比例 高いエネルギー ＝ 短い波長

ルギー「粒」や「波」のエネ

光の速さ（定数）プランク定数波長＝

×

筒の中で電子を加速し， 対象物にぶつける。

電子

対象物

小さな物体を「見る」装置（電子顕微鏡）

電子 「電池」

対象物

電子を電気力で加速

エネルギーの単位：電子ボルト（eV） 電子が電位差1Vを通過したときに得るエネ

ルギー エネルギーと電子の速さ，光の波長の関係

例えば，100kVの電位差で加速⇒0.014nm

電子顕微鏡での電子の「波長」は，0.001

～0.04nm⇒原子（大きさ約0.1nm）まで見える。

電子の速さ 光の波長

1eV 1.6×10-19J 0.38 ×10-19cal

600km/s 1.4μm （赤外線）

２つの電極板に 「電池」で電位差

大きな数字，小さな数字を表す接頭辞 指数表現 10進数表現 接頭辞 日常で使われる例

1012 1,000,000,000,000 T（テラ） ハードディスクの容量 1TB

109 1,000,000,000 G（ギガ） PCのメモリの容量 4GB

106 1,000,000 M（メガ） メガトンMt（TNT火薬100万トン相当の爆発力）

103 1000 k（キロ） kg, km

100 1

10-3 0.001 m（ミリ） mm

10-6 0.000001 μ（マイクロ） 長さ１ミクロン=1μm

10-9 0.000000001 n（ナノ） ナノチューブ（nmスケールのチューブ)

10-12 0.000000000001 p（ピコ） インクジェットプリンタでのインクの噴出量 ピコリットル

10-15 0.000000000000001 f（フェムト） 日常では使われない。

もっと小さい物体を見るには（粒子加速器） より短い波長（高いエネル

ギー）を得るには，より大

きな装置が必要⇒ 粒子加速

器

電気を帯びた粒子を加速

電気の力で加速

自然の「粒子加速器」

放射線源，太陽ニュートリノ

のような宇宙線など。

)()()(

Ech

粒子のエネルギー

光速度プランク定数波長＝

×

加速器を用いない「波」

加速器を用いた「波」

放射能をもつ元

素から放射線

（α線やγ線） 宇宙からの宇宙

線

加速器で加速された陽子，電子などの電気を帯びた粒子

エネルギーや衝突頻度などを制御不可能（自然まかせ）

粒エネルギーや衝突頻度などを実験に合わせて制御可能

素粒子物理学の発展（加速器発明による発展）

高周波（電磁波：電場と磁場の

波）型加速器 例：周波数1.3GHz（波長23cm） 最新加速空洞の加速勾配：40MV/m

乾電池（1.5V/5cm=30V/m）を東京から長崎まで並べた電圧

線形加速器 直線で加速

円形加速器（シンクロトロン） 円形で加速

高周波（電磁波）

1300km

加速

減速 高周波の電場成分

高周波加速空洞

粒子加速器 （シンクロトロン ）

シンクロトロンの原理 電磁石により荷電粒子

を一定の回転半径の真空パイプ内を周回させる。

加速空洞で加速 周回を重ねるたびに加

速

荷電粒子源

力の方向

加速した粒子が 空気分子にぶつ かって減速しな いように

電磁石

世界最大の衝突型円形加速器 （大型ハドロン衝突型加速器 LHC）

ジュネーブ郊外の欧州合同原子核研究機関(CERN)にある

周長約27km 陽子と陽子を加速し 正面衝突 衝突エネルギー

14TeV⇔ 1×10-18m 核子の大きさの1/1000

宇宙誕生後，10-11～ 10-10秒後の状態を再現 現在増強のため停止中

2015年に再稼動予定

約8.6km

CERN フランス スイス

長さ15mの超伝導電磁石1232台

地下約100m 高さ約3mのトンネル

∼10-12 気圧

ビームパイプ内の 真空度 ～10-1３気圧

加速器を用いた散乱実験 ― 加速した粒子をぶつける ― 固定した標的に加速した粒子をぶつける

→固定標的実験（例：ラザフォードの実験）

反対方向に加速した粒子同士を正面衝突

→衝突型実験

衝突型実験は，加速したエネルギーをより効果的に実験に使える。 素粒子を探すには，衝突型実験が行われる。

標的粒子

陽子・陽子衝突について

1000億個ぐらいの陽子が

かたまりになって加速器の中を回る（バンチ） かたまりの大きさ16μｍ （髪の毛より細い）

加速器のビームパイプ （真空）

バンチは１秒間に 4000万回交差

１回の交差で約20個の

陽子と陽子が衝突

バンチは周回しながら徐々に数が減る。 一日に数回入替えをする。

一回の衝突毎に測定器にたくさんの粒子が記録される。 実験はそれを写真にとるようなもの

衝突で散乱された粒子を「見る」 目の代わりとなるもの ― 放射線検出器 ―

粒子衝突実験で生成する観測可能な粒子 エネルギーが高い ⇒ 放射線

原子力基本法第三条（定義）第５号 『 「放射線」とは、電磁波又は粒子線の

うち、直接又は間接に空気を電離（イオン化）する能力を持つもの…』

電離：原子をイオンと電子に分離

電子

γ線

－ ＋

－ ＋

＋ － －

＋

放射線検出器で測るもの

電離：原子をイオンと電子に分離 粒子の飛跡の周りで起こる →位置の測定 電離に必要なエネルギーは物質 に固有→エネルギーの測定

様々なタイプの放射線検出器 を多数組み合わせ次の量を測定 運動量を測定（＝質量×速度） エネルギーを測定 種類の識別

V

t

電気 信号

エネルギーの測定 信号の大きさ∝イオン電子対の数

位置の測定 信号の到達時間∝電子の移動距離

LHC加速器での粒子衝突を測定（アトラス測定器）

国際共同実験 37の国と地域 167研究機関

日本からは15研究機関

約3000人の共同研究者 日本からは約100人 ATLAS

LHCｂ

CMS ALICE

アトラス測定器 ~100m

測定器設置 2003年～2008年

2013/12/27 26

•すべてのパーツは直径12mと18mの2つの縦穴から搬入

•一番重いものは280 t

2003年12月 2004年12月 2005年12月

2006年

2007年9月

2007年7月

1/11/2007 26

アトラス測定器

飛跡検出器 半導体検出器 遷移放射飛跡検出器 （比例計数管） 超伝導ソレノイド電磁石

電磁カロリメータ （液体Ar電離箱+鉛） ハドロンカロリメータ （シンチレータ+鉄）

ミュー 粒子検出器 比例計数管 高抵抗板位置検出器 薄間隔比例計数箱 超伝導トロイド電磁石

A Toroidal LHC Apparatus

22m

40m

地下100mの実験ホール

エネルギーの測定 粒子の識別

運動量の測定 粒子の識別

μ粒子の 運動量の測定

直径22m，長さ40m，重量7000t

LHC+ATLAS実験 －日本研究者側の貢献－

28

ミューオントリガー検出器

内部飛跡検出器 超伝導ソレノイド磁石

地域解析センター 超伝導四重極磁石

信州大学の参加

ミュー粒子トリガー検出器の開発・建設 ミュー粒子は電子の仲間の

素粒子でヒッグス粒子の探索にも重要

ミュー粒子を含む事象を

効率良く集めるために必要な検出器

信州大を含む日本グループはつくば市の研究所で検出器を製作

素粒子物理学と実験的研究

「それ以上分割できないもの」＝ 素粒子

素粒子の世界を科学的な手法で探求する学問分野 ＝ 素粒子物理学 物質の最小構成要素と，それらの間に働く力（相互作用）を解き

明かす学問分野 理論的研究 実験的研究

小さい「ものを見る」

→ 光やα線などの波や粒子をぶつけて反射・散乱したものを観察 → ぶつける粒子のエネルギーが高いほど，小さいものまで見える

加速器や測定器のような科学技術の進歩とともに小さいものが「見える」ようになってきたので，時代によって素粒子も変わってきている。

物質を構成する素粒子の移り変わり

細菌

原子

分子

原子核

核子

クォーク

電子

? 1960年代（クォーク） フリードマンら

18～19世紀（原子・分子） ラボアジェ，ドルトンら

1900～1910年代（原子核）ラザフォード

1897年トムソン

1920～1930年代 （陽子・中性子） ラザフォード，チャドウィック

加速器

0.1μm 1nm

0.1nm

10 fm

1 fm 素粒子：点粒子

素粒子：点粒子

力（相互作用）を担う素粒子

標準理論では他の力と比べてとても弱いので無視している

光子

Wボゾン Zボゾン

グルーオン

標準理論（標準模型） 電弱理論と量子色力学

素粒子物理学の標準理論に登場する素粒子と 理論の枠組み

物質の基本構成粒子 （クォーク，レプトン）

力（相互作用）を担う粒子 グルーオン（強い力） 光子（電磁気力） Wボゾン，Zボゾン （弱い力）

質量を与える粒子

電弱理論 電磁気力と弱い力を統一的に記述

量子色力学 強い力を記述

素粒子の発見とノーベル物理学賞

ライネス(1956)

トムソン(1897)

リヒター， ティン(1973)

ルビア， ファンデルメール (1983)

JADE，MARK-J， PLUTO，TASSO (1979) CDF，D0 (1994)

パール(1975)

レーダーマン，シュワーツ， シュタインバーガー(1973)

レーダーマンら(1977)

ATLAS， CMS(2012)

フリードマン， ケンドール， テイラー(1969)

DONUT(2000)

クローニン，フィッチ (CPの破れ，1977)

ネッダーマイヤーら(1937)

ミリカン (光量子仮説の証明， 1915)

素粒子の理論の枠組み（ノーベル賞受賞のみ）

アングレール， ヒッグス(1963)

小林，益川(1973)

ゲルマン(1964) 朝永(1946)， シュウィンガー， ファインマン(1951)

グロス，ポリッァー， ウィルチェック(1973)

南部(1961)

湯川(1935)

トホーフト， フェルトマン(1973)

グラショウ， ワインバーグ， サラム(1967)

電弱理論

ヤン，リー (1956)

ヒッグス粒子 素粒子に質量を与える粒子 素粒子の世界で，南部先生の理論の「粒

子」は，ヒッグス粒子である。 ヒッグス粒子が素粒子に質量を与える

（ヒッグス先生）。 2012年7月，標準理論に登場する素粒子

の中で最後に発見された。

パーティ会場は客（仮想的なヒッグス粒子）で満ちて，静かにお喋りをしている。

著名人の周りに客が集まり（相互作用し）「抵抗」（質量）が生まれる。有名度合いで，抵抗が変わる。

著名人（素粒子）が入ってくると…

ヒッグス粒子 素粒子に質量を与える粒子

満ちているに，なぜ見つからなかったのか。 仮想的なヒッグス粒子 非常に短い時間でできたり消えたりしている。（不確定性原理）

現実のヒッグス粒子を作るのに必要なエネルギーが足りなかった。 巨大なLHC加速器によってはじめて可能になった。

「噂」の周りに客が集まり大きな集団（現実のヒッグス粒子）になる。を作るには大きな「噂」（エネルギー）が必要

世界は仮想的なヒッグス粒子で満ちている

「噂」（エネルギー） を流す。

陽子・陽子衝突について

ほとんどが面白くない衝突

1秒間に8億回の衝突

記録される「写真」は１秒間約100枚

どのようにして毎秒８億枚から １００枚を選んでいるの？ そのうちヒッグス粒子の写真は 何枚はいっているの？

ヒッグス粒子をどのように見つけ出したか 標準理論によれば，グルーオン+グルーオン→ヒッグス粒子→光子+光子

陽子

陽子

グルーオン

グルーオン

ヒッグス粒子 光子 光子

黄色の四角の大きさで観測されたエネルギーの大きさを表す。

飛跡を残さない

カロリメータで 大きなエネルギー を観測

光子の特徴 ２０１２年にLHCでは，約７時間に１回このような衝突が起こったはず。

ヒッグス粒子をどのようにして見つけたか

衝突事象数

𝑀𝑀 = (𝐸𝐸1 + 𝐸𝐸2)2− �⃗�𝑝1 + �⃗�𝑝2 2

特殊相対性理論に基づく 不変質量の計算

𝐸𝐸1, �⃗�𝑝1

𝐸𝐸2, �⃗�𝑝2

𝐸𝐸1, �⃗�𝑝1

𝐸𝐸2, �⃗�𝑝2

𝐸𝐸1, �⃗�𝑝1

𝐸𝐸2, �⃗�𝑝2 100 130 160

4

8

12

不変質量(GeV/c2)

ヒッグス粒子をどのようにして見つけたか

標準理論によれば， ヒッグス粒子→Zボゾン+Zボゾン

電子+陽電子

ミュー粒子(μ)+ミュー粒子(μ)

μ

μ

e e

e

e

μ

μ

ヒッグス粒子をどのようにして見つけたか

４つのレプトン（電子／陽電子，μ粒子）が観測された事象で，不変質量を計算

H→ZZ(*)→4

4の不変質量(GeV)

見つかった新粒子の質量： 125.5±0.6GeV/c2

二つの疑問 １．本当に新粒子なの？ ２．本当にヒッグス粒子なの？

本当に新粒子なのか？ 統計学による検定を行っている。

二つのサイコロを振って，ぞろ目が出る確率 ＝ １／６

何回連続でぞろ目が出たら，「いかさまサイコロ」と確信するか？３回？

素粒子実験では，「ぞろ目が連続８～９回出たら」新粒子発見を宣言 統計学の言葉では，５標準偏差（５σ）

のずれに相当。

本当にヒッグス粒子なのか？2012年7月4日

どういうこと？

本当にヒッグス粒子なのか？ ヒッグス粒子である条件 標準理論の予想通りか

力を伝える粒子（Wボゾン，Zボゾン，光子）との相互作用

物質を作る粒子（クォーク，レプトン）との相互作用

ヒッグス粒子の特徴（スピンが０，パリティが＋など）

2012年7月４日の段階 である程度分かったこと

データ量が 少なかったため。

２０１３年１月まで実験を継続してほぼ２倍のデータ量

残りの二つの条件についても 研究が進んできた

本当にヒッグス粒子なのか？ 標準理論によれば， 素粒子とヒッグス粒子の相互作用の強さ∝素粒子の質量

57

質量

もともと知ってる

今回

の測

定

素粒

子と

ヒッ

グス

粒子

の

相互

作用

の強

さ

かなりOK

比例関係になっている！

本当にヒッグス粒子なのか？ 素粒子のスピン

素粒子のパリティ

測定を説明するのは難しいが，データは高い確率で標準理論の予想を支持

スピン

物質を構成する素粒子 １／２

力を伝える素粒子 １

ヒッグス粒子 ０

自転に例えられるが，自転しているわけではない。

パリティ

光子，グルーオン （－）

クォーク （＋）

ヒッグス粒子 （＋） 鏡

二つの手は重ならない。

右手のパリティは（－）

以上より， 本当に新粒子かつ，ヒッグス粒子のようです。

というわけで，

The Nobel Prize in Physics 2013

François Englert and Peter W. Higgs "for the theoretical

discovery of a mechanism that contributes to our understanding of the origin of mass of subatomic particles, and which recently was confirmed through the discovery of the predicted fundamental particle, by the ATLAS and CMS experiments at CERN's Large Hadron Collider"

ATLAS実験も

受賞理由の中に述べられて

います。