素粒子物理・原子核物理分野の「大型施設計画・大規模研究 計画に関するマスタープラン」に関するシンポジウム ILC計画 2016年2月12日@日本学術会議講堂 九州大学 理学研究院・先端素粒子物理研究センター 川越 清以 1 ©Rey.Hori/KEK
素粒子物理・原子核物理分野の「大型施設計画・大規模研究計画に関するマスタープラン」に関するシンポジウム
ILC計画 2016年2月12日@日本学術会議講堂
九州大学 理学研究院・先端素粒子物理研究センター 川越 清以
1 ©Rey.Hori/KEK
International Linear Collider
2
全長31km
ダンピングリング
主線形加速器
主線形加速器
電子ビーム
e+e−衝突エネルギーフロンティア 250-500 GeV & 1 TeV Upgrade
陽電子源
国際リニアコライダー
l 構造を持たない素粒子とその反粒子の対消滅 l 線形加速器➡エネルギーの拡張性 l ビームエネルギー・偏極度をコントロール
電子源
わかりやすい反応 正味の衝突エネルギーが既知
Center-of-mass energy: 250-1000 GeV
多くの反応が同時に起こる パートンの衝突エネルギーが不明 Center-of-mass energy: 7-14 TeV
pp
LHC: ハドロンコライダー
e+ e−
ILC: レプトンコライダー
最高エネルギーのコライダー
3
どちらも必要。相乗効果で自然を解明• W/Zの発見(SppS)⇒精密測定(LEP)• Top質量の予測(LEP)⇒発見(Tevatron)• ヒッグス予測(LEPなど)⇒発見(LHC)• ヒッグス、Top測定(LHC)⇒超精密測定(ILC)• BSM発見(LHC)??⇒精密測定(ILC)• LHCで発見しづらい新粒子をILCで発見
ー
素粒子物理は新たな革命の時代へ
4
2013年シンポジウムのスライドから
ヒッグスの発見で素粒子の標準模型は一応の完成。しかし、標準模型を超える新物理は必ずある。è新物理を発見、解明することがILCの使命
ILCが圧倒的に優れているところ
5
e−
e+
ビーム エネルギーと偏極度を コントロールできる Pelectron = ±80% Ppositron = ±30%
反応の素過程 LEPで十分理解されている 理論の不定性 <1%
粒子の生成 ヒッグス トップクォーク 新粒子、たとえば
ダークマター などの可能性
γ/Z/Z’ … Recoil info
質量、スピン/CP, 結合定数などの決定 新しい物理と新しい基本原理の発見
検出・測定 低バックグラウンド 超細分化されたセンサー データは全部とる
Chapter 2. Higgs Boson
(GeV)s200 250 300 350 400 450 500
Cro
ss s
ectio
n (fb
)
0
100
200
300
400=125 GeV
h)=(-0.8, 0.3), M+, e-P(e
hfSM all fZhWW fusionZZ fusion
=125 GeVh
)=(-0.8, 0.3), M+, e-P(e
Figure 2.4.7: Production cross section for the e+e� ! Zh process as a function of thecenter of mass energy for mh = 125 GeV, plotted together with those for the WW and ZZfusion processes: e+e� ! ⌫⌫H and e+e� ! e+e�H.
experimental uncertainties due to bremsstrahlung. It should be noted that it is thecapability to precisely reconstruct the recoil mass distribution from Z ! µ+µ� thatdefines the momentum resolution requirement for an ILC detector.
The reconstructed recoil mass distributions, calculated assuming the Zh is pro-duced with four-momentum (
ps, 0), are shown in Fig.2.4.8. In the e+e�X channel
FSR and bremsstrahlung photons are identified and used in the calculation of thee+e�(n�) recoil mass. Fits to signal and background components are used to extractmh. Based on this model-independent analysis of Higgs production in the ILD de-tector, it is shown that mh can be determined with a statistical precision of 40 MeV(80 MeV) from the µ+µ�X (e+e�X) channel. When the two channels are combinedan uncertainty of 32 MeV is obtained [71,72]. The corresponding model independentuncertainty on the Higgs production cross section is 2.5 %. Similar results were ob-tained from SiD [73]. It should be emphasized that these measurements only usedthe information from the leptonic decay products of the Z and are independent ofthe Higgs decay mode. As such this analysis technique could be applied even if the
42 —DRAFT— Last built: February 18, 2013
ILCでのヒッグス粒子精密測定(3段ロケット)
Z⇤
Z
H
e�
e+
W�
W+
H
e�
e+
⌫
⌫̄
WW fusion dominates at high energies
Higgs-strahlung peaks around 250 GeV
6
Z⇤
Z
H
e�
e+
H
H
W�
W+
H
e�
e+
⌫
⌫̄
H
H
Step3: ヒッグス自己結合@ 500-1000 GeV
Step1: 質量, 生成断面積σ(ZH), 崩壊分岐比 @ 250 GeV Step2: WW fusion を用いた全崩壊幅測定 @ 500 GeV
Hig
gs C
oupl
ing
Dev
iatio
n fro
m S
M
-15
-10
-5
0
5
10
15
Hig
gs C
oupl
ing
Dev
iatio
n fro
m S
M
-15
-10
-5
0
5
10
15
[Ref. arXiv:1310.0763]ILC Projection-1 500 GeV, 1600 fb⊕ -1250 GeV, 1150 fb
= 1.5 TeV)fMCHM5 (
%
%
%
%
%
%
%t b τ c Z W
Hig
gs C
oupl
ing
Dev
iatio
n fro
m S
M
-15
-10
-5
0
5
10
15
Hig
gs C
oupl
ing
Dev
iatio
n fro
m S
M
-15
-10
-5
0
5
10
15
[Ref. arXiv:1310.0763]ILC Projection-1 500 GeV, 1600 fb⊕ -1250 GeV, 1150 fb
= 700 GeV)A = 5, MβMSSM (tan
%
%
%
%
%
%
%t b τ c Z W
Supersymmetry (MSSM)
Composite Higgs (MCHM5)
ヒッグス粒子: 素粒子か、複合粒子か?
ILC 250+500 LumiUp• 標準理論を超える効果が≦1%でわかる • ズレのパターンによって新物理のモデルを識別可能
7
ヒッグス粒子精密測定で新物理に迫る
Δ(αs/π)= 0.4% Δmb/mb<0.7%
ダウン型フェルミオンが上ズレ
全体が下にズレる
Higgs 自己結合
HH
W,Z
(VVH coupling)2
HW,Z
VVHH coupling
干渉するダイアグラム
1. 断面積は小さい O(100) events
2. 干渉するダイアグラムのために感度が下がる
λの測定 O(10)% 現在詳細研究中
h�
h�
v�
λ�
h�
λ�
h�
h�
h�
h�
hhh coupling�four-point coupling�
ヒッグス粒子が終状態に2個
電弱対称性の破れの解明 ヒッグスポテンシャルの形状 電弱エネルギースケールでの宇宙のバリオン生成に関与
8
SM/SUSY
トップクォークの精密測定 (1) 質量(MS)精密測定 エネルギースキャン ⇒ 真空の安定性 (2) ビーム偏極と4 運動量保存 ⇒ left/right-handed couplings.
Deviation in ttZ coupling
LHC
ILC
SM/SUSY
LHC, Ref. arXiv:1311.2028 ILC, Ref. arXiv:1307.8102
⇒ 50 MeV
⇒ 15 MeV
複合ヒッグス模型の識別
ΔMt(1s)=50MeV ΔMH=30MeV
ILC 3σ
9
新粒子:暗黒物質探索 @ ILC • ヒッグス粒子が暗黒物質に崩壊
– mDM < 0.5mHの場合に探索可能 – Br(H→inv.)<0.4% (@250GeV, 1150fb-1)
• ISR photonによる探索(mono-photon events) – モデルに依存しない探索 – mDM < 0.5(ECM−Eγ) の領域まで探索可能
Recoil Mass [GeV]100 110 120 130 140 150 160
Eve
nts
/ 2
[G
eV
]
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600 ZZWW
ZiiWieHii
qqHi4AqqH,H
invisible BF 10%AH
SimulationILD = 250 GeVs
) = (+0.8,-0.3)+,e-pol(e-1250 fb
Recoil Mass [GeV]100 110 120 130 140 150 160
Eve
nts
/ 2
[G
eV
]
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Higgs invisible decay 10
Mono-photon events
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軽い超対称性粒子の探索
LSP Bino-like M1 < M2, µ Wino-like M2 < M1, µ Higgsino-like µ < M1, M2
Higgsino like
NLSPとLSPの質量差がない場合が重要。 ILCはその場合でも探索可能
Higgsino-likeWino-like
Bino-like
(M1, M2, µ, tanβ) point is randomly chosen 0.05<M1,M2,µ<2 TeV, 1<tanβ<70
ISRphoton+soFparGcles
12
ILC加速器概要(TDR)
電子源
陽電子・主線形加速器
陽電子源
電子・主線形加速器
物理実験・粒子検出器
減衰リング
パラメータ� 数値�
重心エネルギー � 500GeV�
全長� 31km�
ビーム輝度� 1.8x1034cm-2s-1�
繰り返し周波数 � 5Hz �
ビームパルス長 � 0.73ms �
平均電流� 5.8mA(inpulse) �
衝突点ビームサイズ� 5.9nm �
超伝導加速電界共振特性�
31.5MV/mQ0=1x1010�main linacbunch
compressor
dampingring
source
pre-accelerator
collimation
final focus
IP
extraction& dump
KeV
few GeV
few GeVfew GeV
250-500 GeV
ナノビーム技術
超伝導高周波加速技術
鍵を握る技術
13
技術設計書完成後(前シンポジウム後)の技術進展
• ナノビーム技術: KEK-ATF2:ビーム最終収束で、44nmを達成(目標は37nm)‒ ILCのエネルギー(250GeV)では、7nmの達成に相当(設計値は6nm)
• 超伝導高周波(SRF)技術 : EuropeanXFEL:‒ SRF空洞(~100%)製造・試験を完了(2015.12)。加速電界(平均)、30MV/mに迫る。‒ クライオモジュール(8台連結ユニット)の>70%を完了。性能安定性、成熟
Fermilab:‒ クライオモジュール性能、ILC仕様値を達成: 平均電界>31.5MV/m
KEK:‒ 超伝導RF試験施設での加速空洞モジュール試験、ビーム加速試験(2016年度目標)‒ 8空洞連結クライオモジュールで、平均電界 >31.5MV/mでのビーム加速を目指す。
• ILC加速器設計 LCC: 性能・コスト最適化 (MEXT-ILC有識者会議での議論を迅速に反映)‒ 衝突点実験ホールへのアクセス方法à 立て坑‒ メインライナック・トンネルを、1.5km延長。設計エネルギー到達信頼性の向上
ATF(Acc.TestFacility):ILCと同じビーム光学設計による技術検証目標 ビームサイズ: 5.9nmat250GeV(ILC)à37nmat1.3GeV(ATF)に相当技術進展: ~300nm(in2010)à~150nm(in2012)à≤44nm(in2014)実現
KEK-ATFによるナノビーム技術の検証
ILC ATF2
BeamEnergy[GeV] 250 1.3
L*(IPtoFF)[m] 4.0 1.0
β*[mm] 0.48 0.1
Emibance(v)[pm] 0.07 12
FFBeamSize[nm] 5.9 37
ILCでのビーム収束光学をATFで検証
main linacbunchcompressor
dampingring
source
pre-accelerator
collimation
final focus
IP
extraction& dump
KeV
few GeV
few GeVfew GeV
250-500 GeV
14
Recent Progress with EU-XFEL
15
17th International Conference on RF Superconductivity Detlef Reschke, DESY
欧州自由電子レーザ 施設の建設 (17.5 GeV)
1.3 GHz / 23.6 MV/m 808 SRF acc. Cavities 101 Cryo-Modules (CM)
Acc. : ~ 1/10 scale to ILC-ML’s SRF system: ~ 1/20 to ILC SRF’s
進捗: 2013: 建設開始 2015: SRF空洞(100%) 完成 CM (70%) 進捗
計画: 2016: E-XFEL 加速器完成 2017: 自由電子レーザ実験開始
XFEL
DESY
XFEL site DESY
Media.xfel.au, Dec. 2015
1 km SRF Linac
SRF 空洞製造・試験状況;
空洞台数, 738 台 (2015/9現在) • 製造企業: RI and EZ (1/2 each)• 性能評価試験:DESY
RI: “電解研磨”によって、最終表面処理
(ILC-SRF と同様の処理) EZ: 化学研磨で最終表面処理 (コスト抑制)
ノート:
• “電解研磨”が、~10% 高い性能を示す。
• 初回、低い性能を示した空洞を”超純水リンス処理“を行うことで、性能改善(性能が低い空洞に有効)。
E-XFEL:電界性能 (初回試験)
最高到達・電界 利用可能・電界(Q0>1010) (ILC-要求)
RI EZ C RI EZ C ---<G>MV/m 33 29.6 31.4 29.4 26.3 27.7 (35)Yieldat28MV/m
86% 73% 79% 66% 44% 54% (90)
D.Reschke/SRF2015
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KEK-STF: SRF空洞・クライオモジュール性能 ビーム加速 àJFY2016 (目標)
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FY14:CM1+CM2a(8+4)組立FY15:CM内での空洞単体性能評価RF分配システム整備FY16:8空洞でのCM性能試験 ビーム加速 (目標>250MeV)
*12空洞・平均電界:>31MV/m上位8空洞で: 34.8MV/m
SRF空洞単体・CM組み込み後の電界性能
Module CM1a CM1b CM2a
Cav.# 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12空洞単体[MV/m] 37 36 38 36 37 35 39 36 12 36 32 32
CM内(pulse)[MV/m]
39 37 35 36 26 16 26 32 18 34 33 32
Gradientstable Degraded Gradientstable
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目的: 性能目標を保ちつつ、更なる確度・信頼性の向上、コスト効果の高い設計プロセス: 設計変更プロセスの厳密に管理àChangeManagementBoard(CMB) 学術会議、ILC有識者会議での議論、指摘に迅速に対応
TDR以降の設計の進展と設計改訂の統括
課題 ノート 決定
CR-002 最終ビーム収束パラメータの共通化、L*(4.1m) 信頼性向上 採択
CR-003 ビーム衝突点実験ホールへの竪坑アクセス 加速器・測定器の建設効率化、採択
CR-004 主ライナック・トンネル長、1.5km延伸 500GeV、到達信頼性向上 採択
CR-005 ILC加速器パラメータのアップデート 加速器設計値の確度向上 採択
CR-006 最終収束磁石近辺にビーム位置モニター 採択
CR-007 日本の山岳地域を前提とした設計 TDRオプションの選択・統一 採択
CR-008 ビームオプティクス2015の確定 採択
CR-TBD 主ライナックトンネル中央壁の最適化 、安全指針 ビーム加速中のアクセス無し安全性徹底
審議中
CR-TBD 冷却システムのレイアウト最適化、安全指針 安全性徹底 審議中
変更プロセス・管理(CMB)
提案à 評価à 決定à 具体化
ILC測定器(ILDとSiD)
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HCAL
ECAL
TPC
Beam line
VTX SIT FTD
ETD
SET
Return Yoke
Coil
Forward components
~15 m
先進的なテクノロジーの高精細センサーを搭載 • 崩壊点検出器:高精細&低物質量pixel検出器 • 飛跡検出器(TPC):高分解能&低物質量、
MPGD読み出し • カロリメータ:超高精細センサー、5mm角
(ECAL)、3cm角(HCAL)
検出器 センサーサイズ ILC ATLAS 精細度比
崩壊点検出器 5×5 mm2 400×50 mm2 800倍
飛跡検出器 1×6 mm2 13 mm2 2.2倍
電磁カロリーメータ シリコン 5×5 mm2 39×39 mm2 61倍
高精細検出器を束ねるParticle Flow Algorithm カロリメータ中で各粒子のヒットを分離し、最も良い分解能を持つ検出器で粒子のエネルギー測定をする事により Jet Energy Resolution 最小化する (荷電粒子àTracker、光子àECAL、中性ハドロンàHCAL)
技術選択à 工学設計à建設à実験開始
ILCTimeLine:ILC実現への時間軸
Assuming(2+)4year
(Pre-PreparaGon)andPreparaGonPhase
Wearehere,201620
真のグローバルプロジェクトとして国際的に推進
ILCの国際的な位置付け(設計から実現へ)
ILC に対するサポートはヨーロッパ、アジア、米国での戦略においてお墨付きを得ている
加速器技術が成熟しているのはILCのみ、Circular Collider に関してはLHCよりも高いエネルギーの陽子・陽子衝突の国際的な研究を奨励。
FCCの予算は概算も公開されていないが、ILCの何倍かであろう。 余程の技術革新がない限り、CERNがいくら頑張ってもFCCの国際的予算獲得は容易でない。 21
Japan Productivity Center Consulting Dept.
22
研究者による国際推進体制
2013年2月21日 リニアコライダー・コラボレーション(LCC)発足
国際将来加速器委員会(ICFA)世界の大研究所の所長/研究コミュニティの代表者
Linear Collider Board (LCB)議長 駒宮幸男(東京大学)
Linear Collider Directorate (LCD) ディレクター リン・エバンス (CERN/LHCの元加速器責任者)
副ディレクター 村山 斉 (東京大学Kavli-IPMU機構長)
CLIC ILCの次世代の加速器(R&Dの推進) スタイナー・スタプネス
ILC本設計 マイク・ハリソン
Physics & Detectors物理・測定器 山本均
※日本の中核研究機関:高エネルギー加速器研究機構(機構長:鈴木⇨山内)
LCC
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文部科学省
ILCタスクフォース(2013年設立)
国際リニアコライダー(ILC)に関する有識者会議 (2014〜)
素粒子原子核物理作業部会
(2014〜)
技術設計報告書(TDR)検証作業部会
(2014〜)
人材の確保・育成方策検討作業部会
(2015〜)
文部科学省によるILCの検討
日本学術会議答申(2013)
委託調査(野村総研)(2014,2015)
24
波及効果+世界の情勢、技術的実現可能性
有識者会議の中間とりまとめ
25
2015年8月に日本語版・英語版を公表。以下は、3つの提言
26
(2016.01.07LC計画推進委員会、山内KEK機構長)
まとめ• ILC は真にグローバルなプロジェクトであり、国際的に推進されている。
• ILC は (HL-)LHC に対し相補的・相乗的なプロジェクト – エネルギー拡張可能, ビーム偏極, エネルギースキャンが強力な手段
• ILCでは、バックグラウンドの低いクリーンな実験環境において、
ヒッグスボゾンとトップクォークの詳細研究、 新粒子の探索を通じて、
標準理論を超える物理の発見が期待されている。
• ILCの加速器技術は成熟しており、建設できる。– i.e. 超伝導・高加速勾配RF, 最終収束系
• 日本では調査検討予算が措置され、ホストとなるための公式な検討を文科省が行っている。 これを成功させるためには、国外においても政府・関係省庁においてILCがpositiveに認知されることが必要。
• 日本では、ILC国際研究所建設のための超党派国会議員連盟、先端加速器科学技術推進協議会(産業界)、地方自治体がサポート
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