Belle II実験で切り拓く素粒子物理学のフロンンティア

名古屋大学 飯嶋　徹

2017年12月9日

日本物理学会名古屋支部公開講演会「物理学とは何だろうか」シリーズ

「小林・益川理論では説明できない現象を探る ーいよいよ始まるSuperKEKB/BelleII実験ー」

LHC加速器Large Hadron Collider

ジュネーブ空港

周長27 Km

スイス

フランス

7TeVの陽子と7TeVの陽子を衝突 世界最高エネルギー14TeVの世界

ATLAS,PLB726,88(2013)

ヒッグス粒子発見!

スーパーBファクトリー実験

3

SuperKEKB加速器

一周3キロの主リング

電子

長さ600mの入射器

Belle II測定器

陽電子

陽電子ダンピングリング

物理学の醍醐味• 色々な現象を説明できる普遍的な原理の発見。 • それによる新しい現象の予言。

• 例：ニュートン力学

~F = m~a

色々な運動 • 落下するりんご • 大砲の玉 • 月や地球の公転 ニュートンの

りんごの木 @名古屋大

全て同じ法則に従う

物理学の醍醐味• 絶対的・普遍的に正しいと考えていたことにほころびが見えた時、新しい世界が開ける。

• 例：水星の近日点移動 • ニュートン力学だとどうしても説明できない。

相対性理論

• 現在の素粒子理論だとどうしても説明できない現象の発見。 新しい物理

講演の流れ

• 素粒子物理学の基礎 • 粒子と反粒子の対称性の破れ

• Bファクトリー実験 • 今後の課題

• SuperKEKB/Belle II 実験

6

素粒子物理学の基礎

7

物質の階層構造

水分(65%)タンパク質(15%)

脂質(12%)

核酸、炭水化物 など(2%) 無機塩類 (6%)

人体の構成要素

コイン

人体（約60kg）は、約4x1028個の核子（陽子と中性子）、約1x1029個のクォークでできている。

素粒子の相互作用

相互作用は粒子の交換で生じる。

A B

9

湯川秀樹

水素原子の素粒子描像

陽子

電子電磁気力 電荷を感じて 光子を交換

u

du

−

+

強い力 色電荷を感じて グルーオンを交換

ベータ崩壊• 中性子を構成するダウン(d-）クォークが弱い相互作用によってアップ（u-）クォークに変化。

ダウン・クォーク

アップ・クォーク

電子

反電子ニュートリノ

u

de−

eν

W −

Wボゾン

23

! "+# $% &

13

! "−$ %& '

du

ud

n

p

n → p + e - + ν e

11

クォーク模型（1964年）

陽子、中性子や中間子は、“クォーク”を構成要素とする複合粒子(ハドロン）である。

q qq

q q

パイ中間子の仲間 メソン

陽子・中性子の仲間バリオン（重粒子）

クォーク－反クォーク３個のクォーク

ゲルマン

坂田昌一クォーク模型の原型と言える理論を発表（1955年）

６クォーク模型小林-益川理論（1973) • クォーク６種類（6フレーバー）あることを予言 • 当時知られていたクォークは３種類

電荷 第１世代 第２世代 第３世代

+2/3

アップ チャーム トップ

-1/3

ダウン ストレンジ ボトム0.002

0.005 0.1

1.3 173

4.2

質量の単位GeV/c2

1GeV/c2はおよそ陽子の質量と同じ

素粒子の標準理論クォークとレプトンは3世代６種類

クォーク

レプトン

物質構成粒子（フェルミオン）

3世代構造

力を媒介する粒子（ボゾン）

電磁相互作用

強い相互作用

弱い相互作用

反粒子の存在

, , , ...e eq q e e v v− +⇔ ⇔ ⇔

Hヒッグス

わかりやすくすると、 こういうことやで～

ud

c

st

bνeνµ

ντe µτ

γ

g

W

Z謝辞：東京大学　駒宮氏

難しくすると、こんな感じ

ゲージ場

物質場

ヒッグス場

”神の方程式”標準理論の ラグランジアン

物質を構成する粒子場

相互作用を担う粒子場

粒子に質量を与える場

粒子-反粒子の対称性の破れ とBファクトリー実験

17

宇宙の謎なぜ宇宙から反物質が消えたのか？

暗黒物質の正体は？

暗黒エネルギーの正体は？

宇宙の歴史

ビッグバン

宇宙の歴史

10-10秒

自由なクォーク

10-5秒100秒

ハドロン化

30万年

軽原子核合成

10億年

原子形成

物質の根源の研究により宇宙の進化が解明できる。

138億年宇宙の年齢

星形成 　重元素合成

超新星爆発

19

消えた反粒子の謎

反粒子粒子

20

CP対称性の破れ• ビッグバンで宇宙が誕生したとすると、粒子と同様に反粒子が存在するはず。

• だが、我々の宇宙は粒子で構成されている。

10,000,000,001 10,000,000,000

クォーク 反クォーク

キーポイント “CP対称性の破れ“（粒子と反粒子に働く物理法則の違い）

1 これが我々！

21

小林-益川理論• クォークは6種類あり、3つの世代を構成する。

–当時知られていたクォークは3種類。 • クォークは世代間で混合し、この時CPが破れる！

W+

b(s, d)u

u c td s b! " ! " ! "# $ # $ # $% & % & % &

23

Q = +

13

Q = −

（質量有限）

V*ub(s,d) ヒッグス機構 ⇨ 質量＋混合 ⇨ CPの破れ

22

23

KEKB加速器

e-（8GeV) e+（3.5GeV)

世界最高輝度を達成！

ルミノシティー 2.1 x 1034 cm-2s-1 !

年間約2億対のBBを生成

• 世界最高強度を誇る加速器で大量のB中間子と反B中間子を生成。

• 主要目的：粒子-反粒子（CP）対称性の破れの謎を解明。

24

B中間子

b dB中間子

b d反B中間子

Bファクトリーで崩壊の違いを精密に測る。

質量は陽子の約5倍程度（mB = 5.28GeV/c2) 寿命は0. 000 000 000 00152 秒（τ B= 1.52 ps）

25

26

Bファクトリー（B工場）での測定電子-陽電子衝突で大量のBB中間子対を生成する。

e− e+電子（8GeV） 陽電子（3.5GeV）

B

B

0K

/J ψ

e−

e− e+電子（8GeV） 陽電子（3.5GeV）B

B/J ψ

0K

e+

この違いを検出

Bファクトリーによる小林-益川理論の検証27

B0 tag_B

0 tag

今後の課題 スーパーBファクトリー実験へ

28

わかったこと＋深まる謎• 小林・益川理論は、我々が知っているクォークの反応における粒子・反粒子非対称の理由を説明。

• しかしながら、宇宙の物質優勢を説明できない（非対称が足りない）。

• 小林・益川メカニズム以外のCP非対称の源が必要。宇宙のより初期に遡って、新物理の効果を探る必要がある

• まずは、標準理論を超える新物理（新粒子）の証拠を捉えたい！

29

K0中間子 反K0中間子

sd sd=

b d b dB0中間子 反B0中間子

=

小林-益川理論 （標準理論）

未知の物理法則 （新物理）

クォークと反クォークの違い 宇宙における物質優勢

?

小林-益川も説明できない現象

Belle II コラボレーション

日本からは13機関が参加：KEK, 名古屋大, 東北大, 首都大学東京, 東京大, 奈良女子大, IPMU, 山形大, 東邦大, 千葉大, 核物理コンソーシアム（全159名）

約4分の3が海外からの参加

31

23countries/regions101institutions~750researchers

Europe 285 Austria 14

Czech 7

Germany 110

Italy 73

Poland 11

Russia 46

Slovenia 17

Spain 4

Ukraine 3

Asia SaudiArabia 3

Australia 36

China 29

India 40

Japan 161

346 Korea 44

Malaysia 5

Vietnam 2

Taiwan 22

Thailand 2

Turkey 1

America 119 Canada 23

Mexico 11

USA 85

32

Belle II測定器

SuperKEKB加速器

一周3キロの主リング

日本がリードする最先端実験装置

世界最強の衝突型加速器

陽電子

長さ600mの入射器

Belle II実験とSuperKEKB加速器

電子

Belle II 検出器• より高い性能

– エネルギー、運動量、崩壊点の測定精度、粒子識別性能 • より高いバックグランド耐性 • より大量のデータ処理性能

崩壊点検出器シリコンバーテックス検出器ピクセル型検出器

エアロゲルRICHカウンター

TOPカウンター

電磁カロリメータミュー粒子・中性K中間子検出器

中央飛跡検出器

7GeVe-

4GeVe+

33

日本人研究者の貢献TOP（名古屋大, KEK）

大学研究室で新型粒子識別装置を独自に考案し建設を主導

ECL（奈良女大） コンピューティング（各大学, KEK） 名古屋大KMI

A-RICH（首都大, 新潟大, 千葉大, 東邦大, KEK）CDC（大阪市大, 核物理, KEK）

SVD（東大, IPMU, 東北大, KEK）

半導体検出器の製作ファシリティーを整備して製作を主導

トリガー・DAQ（KEK）

モンテカルロ事象生成に対する国別貢献度

日本

34

電子・陽電子衝突によるB中間子生成

7GeVの電子と4GeVの陽電子の衝突で、B中間子と反B中間子を対生成。B中間子は数100μm飛んで崩壊する。

35

B中間子崩壊点の測定

半導体検出器で崩壊粒子の飛跡を精密に測定してB中間子の崩壊点を計算。

36

荷電粒子の識別

チェレンコフ光を使って崩壊粒子の種類（特にパイ中間子とK中間子）を識別する。

37

TOP Installation38

39

2016年10月　Belle II測定器の建設

中央飛跡検出器の据付

BelleIIロールイン！

２０１７年４月１１日

Belle II コンピューティング•近年の高エネルギー実験においては、加速器、測定器と並んで、コンピューティングが第3の重要な柱。

•大量のデータ解析は1研究所の計算機の処理能力を超えるため、参画研究機関を高速ネットワークで繋いだ分散処理（グリッドコンピューティング）が必須 • Belle II では、1.8GB/秒の生データが生成され、約105CPUコア、200PBテープ（生データ）＋100PBディスク（２次データ、シミュレーション）が必要。

Raw data centerRegional data center

MC production site

Belle II コンピューティング・モデル モンテカルロ事象生成におけるグリッド計算稼働状況

41

実験開始までの予定

42

2010 … 2016 2017 2018 …1Q 2Q 3Q 4Q 1Q 2Q 3Q 4Q 1Q 2Q 3Q 4Q

Belle

Belle II建設 本格運転

2010年夏に終了

今はここ

Phase1

Phase3

加速器のみで電子と陽電子を周回運転 順調に終了

衝突実験開始 Belle IIデータ収集・解析

Belle II検出器完成 フル稼動へ！

Phase2

最後の対称性？超対称性理論

u c t

d s b

eν µν τν

e µ τ

γ

g

W ±

Z

quark

lepton

gauge

!u !c !t!d !s !b

!νe !νµ !ν

τ

!e !τ

!γ

!g

!W±

!Z

squark

slepton

gaugino

!µ

フェルミオン スピン ＝ 1/2

ボゾン スピン ＝ 1

ボゾン スピン ＝ 0

フェルミオン スピン ＝ 1/2

43

新粒子が引き起こすCP対称性の破れ• 「ペンギン崩壊」と呼ばれる量子ループを伴う崩壊は“新しい物理”に感度が高い。

44

標準理論のペンギン過程

未知の物理過程との干渉 à CP対称性の破れのずれ

新物理のペンギン過程

X(新粒子）

Belle II 実験では

新物理が存在すると、崩壊モードによって異なるCP非対称性が観測される可能性が高い。

J/ψKs

φKs

標準理論

新しい物理

45

µ−

νµ

τ −

ντ

レプトンのかおりによる違い• B中間子のベータ崩壊は３種類:

bu

cB−

D0u

W−

νe

e−

• 標準理論では同じ強さで起こる。

B→Deν ,Dµ ν ,Dτ ν

H-（新物理）

46

• 新物理があると強さ変わる（特にB→D τ ν が変化） • これまでの実験結果にその兆候がある。

レプトンのかおりの変化• クォークでは混合とCPの破れがある。 • ニュートリノにも混合（振動）。　CPの破れは？ • 荷電レプトンでは　？？？

τ ( )eµ

γ

!τ!χ0

!µ( !e)

(m !l2 )23(13)e µ τ

eν µν τν

? ?

スーパーBファクトリーはスーパーτファクトリー

τàµ, τàe の混合を最高感度で探索！

47

クォーク４個以上でできたハドロンはないの？

あってもおかしくなが、見つかっていなかった。

エキゾチック・ハドロンテトラクォーク ペンタクォーク メソン-バリオン

共鳴

我々の研究テーマ

48

まとめ• ヒッグス粒子の発見により素粒子の標準理論が完成 • 素粒子物理のフロンティアは、標準理論を超える現象の発見へ

• その最先端研究である「SuperKEKB/Belle II実験」がいよいよ始まる

• その成果は、「消えた反物質の謎」をはじめとする宇宙の謎の解明につながるだろう

こうご期待！