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あつのひろもり
5 years ago
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1 ヒッグス粒子の発見岩崎博行総合研究大学院大学高エネルギー加速器科学研究科総研大サイエンスカフェ / 湘南国際村アカデミア湘南国際村センター

3 モンブランジュネーブレマン湖 LHC 加速器周長 27 km

4 LHC トンネルは地下約 50 m ~ 150 m にある

5 CERN ジュラ山脈 CMS レマン湖 LHCb ALICE ATLAS CERN 5

CERN ( 欧州原子核研究機構 ) ATLAS [European Organization for Nuclear Research] は欧州合同の加速器を用いて素粒子物理を探究する研究所年間予算: 1,076MCHF [2008 年 ] (GNPに比例して加盟国が出資する) 職員数: 2,544 人 [2007 年

6 CERN ( 欧州原子核研究機構 ) ATLAS [European Organization for Nuclear Research] は欧州合同の加速器を用いて素粒子物理を探究する研究所年間予算: 1,076MCHF [2008 年 ] (GNPに比例して加盟国が出資する) 職員数: 2,544 人 [2007 年 12 月 ] 加盟国: ドイツ, イギリス, フランス, イタリア, スペイン, オランダ, スイス, ベルギー, スウェーデンなど欧州 20カ国オブザーバー国: 日本米国ロシア他 3カ国など利用者:8,369 人 [2007 年末 ] CERNはWorld Wide Web(WWW) の誕生地 [1990 年 ]

8 講演内容 LHC 加速器 LHC 実験の測定器ヒッグス粒子とは何? どう確認したのか? 8

9 結晶 ~ 1 cm 分子 1 nm 原子 0.1 nm 原子核 10 fm 陽子 1 fm 電子クォーク < fm

10 10 の整数乗倍を表す接頭語名称記号大きさミリ (milli) m 千分の1 マイクロ (micro) m 万分の 1 ナノ (nano) n 億分の 1 ピコ (pico) p 兆分の 1 フェムト (femto) f 京分の 10 名称記号大きさキロ (kilo) k ,000 千メガ (mega) M ,000, 万ギガ (giga) G ,000,000, 億テラ (tera) T ,000,000,000,000 1 兆

11 4 つの力種類強い力電磁力弱い力重力源色荷 (RGB) 電荷弱荷 ( アイソスピン ) 質量 (3 種 ) (1 種 ) (2 種 ) 強さ ~0.1 1/ ~10-36 (a S ) (a) (G F m p2 ) (G N m p2 ) 到達距離 (cm) 無限大無限大ポテンシャル 1/r + kr 1/r exp(-m W r)/r 1/r 粒子名グルーオンフォトン W ±, Z グラビトン ( スピン ) 理論 QCD QED ( 一般相対論 ) GWS 理論ゲージ群 SU c (3) SU L (2)xU Y (1) 11

12 第 1 世代物質の構成粒子 (spin = ½) 第 2 世代第 3 世代電荷力の媒介粒子 (spin = 1) ゲージ粒子クォーク u c t MeV GeV 172 GeV d s b 4-8 MeV MeV GeV 2/3-1/3 W, Z 0 電磁力弱い力レプトン e e < 3 ev m < 0.19 MeV m < 18 MeV 0.5 MeV 106 MeV 1.78 GeV 0-1 g Higgs boson: W/Z & quark & lepton の質量の起源強い力 12

13 LHC 加速器 Large Hadron Collider( 大型ハドロン衝突型加速器 ) 7 兆電子ホルト (7 TeV) の陽子同士を衝突 13

14 バンデグラフ加速器 (1930 年頃 ) 静電型加速器放電が問題となり ~10 MV (~1000 万ボルト ) 程度まで q

15 線型加速器いくつもの加速空洞を通過することによって加速される線源ビーム高周波発生装置ドリフトチューブ獲得するエネルギー E n nqu g n q U g ギャップの数ビーム粒子の電荷粒子が通過する際のギャップの電圧差大きなエネルギーを得るには沢山の加速空洞が必要

エネルギーの単位 ev -19 1eV = 1.610 J 1 V ev ( エレクトロンボルト ) J ( ジュール ) エネルギーの単位真空中において 1V の電位差の間を移動することによって電子が得る運動エネルギー e e 素電荷 -19 e = 1.6 10 C( クーロン ) ( 陽子の電荷は e, 電子の電荷は e ) 1 cal = 4.

16 エネルギーの単位 ev -19 1eV = J 1 V ev ( エレクトロンボルト ) J ( ジュール ) エネルギーの単位真空中において 1V の電位差の間を移動することによって電子が得る運動エネルギー e e 素電荷 -19 e = C( クーロン ) ( 陽子の電荷は e, 電子の電荷は e ) 1 cal = 4.2 J (1 cc の水を 1 C 上げるのに必要なエネルギーは約 4.2 J) 1 kg の重りを 1m 持ち上げるのに要するエネルギーは約 9.8 J 質量の単位 ev / c c m/s ms 1J=1Nm=1m kg s E m mc E / c J kg(ms ) 36 1eV / c kg ( ms ) 910 (ms )

17 円型加速器 Q. 少ない数の加速空洞で大きなエネルギーを得ることはできないか? A. Yes, we can. 周回し何遍も同じ加速空洞で加速される粒子は加速されるにつれ1 周する時間は短くなる粒子が通過するタイミングに合わせ丁度よい電場がかかるように時間を合わせねばならない粒子の速度が大きくなるにつれ運動量も増すので軌道を一定に保つために磁場の強さも合わせて変化させねばばらない

18 一様磁場中の荷電粒子の運動 p qb P 粒子の運動量 q 粒子の電荷 B 磁束密度 ρ 半径円運動 B q q が素電荷 e の場合 p(gev/ c)=0.3 B(tesla) (m) 1 tesla = 10 k gauss 地磁気の大きさ ~ 0.5 gauss = tesla

19 シンクロトロン (Synchrotron) 加速空洞内の電場も時間と共に調整電圧磁場の大きさは時間と共に変えてゆくビーム時間

20 運動量の単位 ev / c 非相対論的な場合 ( 速度 v が光速 c に比べてずっと小さい場合 ) 運動量運動エネルギー p T mv 1 2 mv 2 相対論的な場合 ( 速度 v が光速 c に比べて無視できない程度の場合 ) 運動量 p mv v 1 c 2 全エネルギー E mc pc

21 一様磁場中の荷電粒子の運動 p qb P 粒子の運動量 q 粒子の電荷 B 磁束密度 ρ 半径円運動 B q q が素電荷 e の場合 p(gev/ c)=0.3 B(tesla) (m) 1 tesla = 10 k gauss 地磁気の大きさ ~ 0.5 gauss = tesla

22 LHC 加速器複合体いくつもの加速器を用いて 7TeV まで加速 7 TeV の陽子と 7 TeV の陽子を正面衝突させる LHC Large Hadron Collider ( 大型ハドロン衝突型加速器 ) 450 GeV 7 TeV Linac ( 線型加速器 ) PSB (PS ブースター ) 50 MeV 1.4 GeV ( 陽子シンクロトロン ) 1.4 GeV 26 GeV ( スーパー PS) GeV

23 ビーム入射のサイクル B field SPS waits at injection to be filled by PS SPS ramp SPS top energy, prepare for transfer Beam transfer SPS B field time PS field time PS Booster 23 PSB determines the basic period J. Wenninger time

24 ルミノシティ (Luminosity) 衝突型加速器で最も重要なパラメターはエネルギーとルミノシティ反応の頻度 (N) は断面積 (s) とルミノシティ (L) の積となる N = sl 反応の頻度断面積ルミノシティ (Luminosity) 反応の断面積は自然が決めた物理量で我々では変えることは出来ない多くの反応事象を得るにはルミノシティを大きくするしかない断面積 (cross section ) の単位バーン ( barn, b ) = 110 m 110 cm 1 mb = 110 cm μb = 110 cm nb = 110 cm pb = 110 cm fb = 110 cm cm = cm ルミノシティの単位 cm cm 0.01 m 110 m 1 pb = 110 cm fb = 110 cm 秒当たりのルミノシティ cm s 110 m s など

25 正面衝突の場合 x v -v Beam a NB NB Beam b z ( 単位時間当たりの ) Luminosity L N k f 2 B b 4s s N B 1つのバンチに含まれる陽子の数 k b 1 周当りのバンチ数 f 単位時間当たりのトンネル周回数 s x 水平方向のビームの広がり s y 垂直方向のビームの広がり x y N k f b B s x y z vt b( x, y, z; t) exp 3 / 2 s s s 2 2 s s x y s x y Z z s s 16.7 mm x y L cm s 実際にはビームどうしは小さい交差角 (285 mrad) を持って衝突している進行方向のビームの広がり 7.55 cm を考慮して計算すると L 110 cm s

26 陽子陽子衝突における断面積 Event rate at L=10 34 cm -2 s -1 1 b Total rate: 10 9 Hz 1 mb b quark: ~10 7 Hz 1 μb W boson: 2000 Hz S/N ~10-10 > 0.7TeV jet: 1 Hz 1 pb 150 GeV higgs: 0.3 Hz 1 fb 26

27 1 回のバンチ交差 ( bunch crossing) あたりの luminosity は 2 NB L 1 crossing cm 4s s x y 26-2 陽子陽子衝突の全断面積は約 100 mb s total 100 mb = 110 cm 反応した数 N s total L1 crossing の陽子の塊との陽子の塊が衝突したのに反応が起こるのは 30 程度! ほとんどの陽子は何事もなく通り過ぎているということそれでも陽子陽子の全断面積は最も大きな断面積いかに興味のある反応が希少であることが分かる

28 陽子陽子コライダー vs リニヤコライダー一周する毎にシンクロトロン放射で失うエネルギー de df rev 1 E m 4 電子陽電子コライーダー電子陽電子コライーダーでは LEP が限界 f rev c 2 半径を無限大にするリニヤコライダー陽子陽子コライダー陽子は電子の約 2000 倍の質量があるのでシンクロトロン放射で失うエネルギーは 6x10-14 で済むただし高エネルギーの陽子を曲げることのできる強力な電磁石が必要 28

29 LHC pp s = 14 TeV L design = cm -2 s -1 加速空洞 [ 注意 ] スケールしていない CMS TOTEM ビームタンフ 27 km ring 1232 superconduncting dipoles B=8.3 T ALICE LHCb ATLAS 29

30 超電導ダイポール磁石 570 f Cold-mass 1.9K thermal shield 50K B=8.3 T 194 mm magnetic flux Main Dipole 断面図 :2 つのダイポール磁場とビームパイプを一つのヨークとクライオスタットの中に入れる 2-in-1 型 Cold-mass 部分は超流動ヘリウムを使って 1.9 K まで冷やす 30

31 Dipole magnets 31

32 The LHC arcs 1232 main dipoles multipole corrector magnets 392 main quadrupoles corrector magnets 32

33 Radio frequency (IP4) 8 RF superconducting cavities per ring at MHz: 2 modules per beam, 4 cavities per module 16 MV/beam at 7 TeV 1 MV /cavity at injection 2 MV/cavity during physics 33

34 Dump block Beam dump (IP6) Dilution kickers Extraction septum 34 Extraction kicker Beam 2

35 LHC 加速器の主要パラメーターのまとめ主リング周長 m 陽子ビームエネルギー ( 入射エネルギー ) 7.0 TeV (450 GeV) 最高ルミノシティ- (IP1, IP5) cm -2 s -1 バンチ間隔 25 nsec 40 MHz バンチ数 2808 /ring バンチ当りの陽子数ビームエミッタンス (7 TeV) m mrad 二口径双極電磁石 1232 台双極電磁石長磁場 14.3 m,8.33 Tesla 曲げ半径 m 回転周波数 khz RMSビームサイズ (IP1, IP5) 16.7 mm RMSバンチ長さ (IP1, IP5) 7.55 cm ビーム衝突角度 (IP1, IP5) ±142.5 mrad 交差平面 (ATLAS, CMS) 垂直 (ATLAS), 水平 (CMS) バンチ衝突当りの陽子衝突数 19 全ルミノシティ- 寿命 14.9 hour シンクロトロン放射損失エネルギー 3.6 kw / ring, 6.71 kev/turn

36 IR1(ATLAS) and IR5 (CMS) CERN-LHC 衝突点用超伝導四極磁石 KEK-Fermilab Collaboration 磁場勾配 = 215 T/m, ( ピーク磁場 8.4 T) 長さ = 6.37 m 口径 = 70 mm 磁場勾配の精度 ( 制御 ) : 10-4 (10-5 ) 台数 : 16 台 (KEK) + 16 台 (Fermilab) 衝突点ビーム収束磁石 : 日本の LHC 建設貢献日 (KEK) 米 (Fermilab) 間の国際協力 36

37 衝突点付近 With > 150 bunches per beam, need a crossing angle to avoid parasitic collisions 37

39 設計では重心系のエネルギーで 14 TeV のはずなのになぜ 7 TeV や 8 TeV の運転なのか? 2008 年 9 月 19 日大量のヘリウムリークがトンネルに溢れるという事故が起こった 12 ka の電流ラインの接続に問題のあるものが見つかった本格的修理を終えるまでは低いビームエネルギーで運転することに決定 2013~2014 年に修理

40 12 ka の電流ラインの接続に問題のあるものが見つかった Solder No solder wedge 超伝導線 bus U-profile bus 銅

41 Electrical arc between C24 and Q24 Collateral damage: secondary arcs M3 line V lines Collateral damage: magnet displacements Collateral damage: ground supports QQBI.27R3

Microsoft PowerPoint - LHC加速器の概要

Microsoft PowerPoint - LHC加速器の概要 LHC 加速器の概要近藤敬比古 (KEK) 2005.4.16 (Version-0) 参考文献 : [Ref-1] LHC Design Report Volume I : The LHC Main Ring http://ab-div.web.cern.ch/ab-div/publications/lhc-designreport.html [Ref-2] 1 LHC 計画の歴史 (1) LHC