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研究内容

Research

素粒子の標準模型
The Standard 
Model
物質はどんどん細かくしていくともうこれ以上細かくできない粒子”素粒子”にたどりつきます。
つまり素粒子はこの宇宙を構成する根本的な要素になりますが、一体素粒子は何種類あって、それらの間にはどのような相互作用が働いているのでしょうか?
これまで人類は右図のような17種類の素粒子を仮定すると現在の宇宙が完成するのではというモデルを作り、さまざまな実験を高い精度で説明することができました。
この枠組みを素粒子の標準模型と呼んでいます。
ではこの標準模型はこの宇宙が誕生してから今に至るまで全ての現象を説明できる究極の理論でしょうか?
実際のところ標準模型が説明できていない現象は多く、むしろ致命的な問題を抱えていたりしていてまだまだ完璧な理論ではありません。
​実験を通して標準模型を検証し、新物理の兆候を日々探しているのが今日の素粒子実験分野です。
Elementary particles are fundamental elements that consist of matters in this universe.
How many elementary particles exist in this universe, and how do these particles interact with each other?
The model that considers 17 particles of the right figure is called the Standard Model(SM) of elementary particle physics.
Is the SM ultimate theory?
There are many problems that the SM can not explain, and the SM is not a perfect theory.
Elementary particle experiments test the SM and explore indications of Beyond SM.
標準模型が抱える未解決問題
Unsolved problems of the Standard 
Model
素粒子物理学で電子のような素粒子には重さなどは一緒だけど、電荷だけが反対のペアになる粒子(反粒子)がいることが理論的・実験的にわかっています。
粒子と反粒子は常にペアで生成され、ペアで消滅します。つまり、何もなかったところから宇宙が誕生してすぐの時は粒子と反粒子が等量生成されたはずです。しかし、粒子と反粒子は対消滅もできるので等量あるとみんな消えてしまってこの宇宙は空っぽになるはずです。もちろん今の宇宙はそうではなく、物質があって私たちの体も存在します。
つまり、この宇宙は"物質"が極めて多く、反物質と呼ばれるものは非常に少ない、物質優勢な宇宙です。
どのようにして今の物質優勢宇宙ができたのか、その起源は未だよくわかっていません。
1967年にSakharovによって物質優勢宇宙を作るために必要な3つの条件が提示され、その1つが粒子と反粒子の間の性質の違い(CP対称性の破れ)です。
実際、Belle実験によってクォークセクターにおけるCP対称性の破れが観測されましたが、現在の物質-反物質のアンバランスを説明できるほどに大きな破れではありませんでした。
そこでニュートリノという別の素粒子に白羽の矢が立ちます。ニュートリノはまだよくわかっていない部分があり、そのため場合によってはクォークセクターよりも1000倍ほど大きなCPの破れがあるかもしれません。
そのほかにも標準模型には
  • ニュートリノの質量が他の素粒子に比べて
    10万分の1ほどしかないのはなぜか?
  • 宇宙観測によって既知の物質は5%ほどしかなく、
    残りの95%は暗黒物質・暗黒エネルギーで満たされていることがわかった。その正体とは?
  • この宇宙の真空は安定か?
    それとも今の真空状態は準安定で、もっと安定な状態があるといつか消えてしまうのか?
  • 電磁気力・弱い力・強い力・重力は実は初期宇宙では一つの力だった。電磁気力・弱い力を統一的に扱う理論(電弱理論)は完成している。
    次は強い力の統一(大統一理論)だが、どうやる?
  • 陽子は安定か?
    それともいつか他の粒子に崩壊するのか?
    もし安定でなければこの宇宙もいつか崩壊する...?
  • 標準模型には重力が含まれていないが、
    重力も組み込んだ究極の理論とはどういうものか?
など、多くの未解決問題が残されています。
現在素粒子の性質の精密測定や、新粒子探索、宇宙観測などを通してこれらの疑問を解決すべく研究が続けられています。
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アンカー 1
                                 素粒子の標準模型 (HIGGSTANより)
​素粒子はまず物質を作る粒子として、クォークとレプトンの大きく2つがあります(強い相互作用という力のやりとりをする粒子がクォークに分類されます)。
またこれらの物質粒子はゲージ粒子という素粒子をキャッチボールすることによって電磁気力などの力が働きます。
​またヒッグス粒子は各素粒子に質量を与える役割をもった粒子です。
研究テーマ1
Theme 1
ILCにおける物理解析

​「質量」はどこからきたのかー

2012年にCERN(欧州原子核研究所)の大型ハドロン加速器LHCでヒッグス粒子が発見されたことで人類の質量に対する理解はまた一歩前身しました。

しかし質量に関する謎はまだあります。

例えばクォークと呼ばれる素粒子は6種類ありますが、各質量値はバラバラでそれらの間には約1万倍の質量格差があります。

なぜこのような質量格差があるのか標準模型は説明できませんが、実は初期宇宙ではみんな同じ質量を持っていて、宇宙が冷める中で今のような形になったのではないかというアイディアがあります。

実際ボトムクォークとタウレプトン(パラメータによってはトップクォークも)の質量値がGUTスケールと呼ばれる高エネルギー領域で同じになる(統一される)新物理モデル(SUSY GUT etc...)が提案されています。

現在の標準模型と新物理の可能性を検証するために、私の研究では国際リニアコライダー(ILC)を用いてボトムクォーク対生成事象をシミュレーションし、250GeV ILCではどれくらいの精度で質量測定ができるかを見積もりました。

(ILCをもっと知りたい方はコチラも見てみてください)

Physics Analysis at ILC

What is the origin of "mass"?

Higgs boson was revealed at LHC(Large Hadron Collider) of CERN in 2012, and our understanding of mass progressed thanks to it.

However, there are many remains mysteries of mass.

For example, why each quark mass different, and why is there a large mass disparity of ~10,000 between them?

The SM can not explain this problem, but recently, the following idea has been proposed; each particle has the same mass in the earlier universe, and they separated into current values with the universe getting cool.

Actually, there are some new physics models(SUSY GUT...) that predict mass unification of bottom quark and tau lepton (and top quark also in some parameter configuration) at the GUT energy scale.

In order to test the current SM and to verify the feasibility of new physics, I simulated bottom quark pair production at the International Linear Collider(ILC) and estimate the precision of bottom quark mass measurement at ILC 250GeV in my study.

ILCOutline.png
                   ILCの全体イメージ (ILC TDR Volume 1より)
​電子と陽電子という素粒子を電磁場で高エネルギーになるまで加速させて衝突させることでヒッグス粒子をはじめとするさまざまな粒子を生成・検出しその性質を精密に調べることができます。
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      ILDでのイベントの様子 (ILC event examples with ILD simulationより)
​衝突させることで素粒子どうしが反応を起こし、大量の粒子を生成します。
それらの粒子はILD(International Large Detector)検出器で検出されます。
この図はZボゾンとヒッグス粒子が生成されるイベントの様子です。
スクリーンショット 2021-04-22 23.51.39.png
                      ボトムクォークとタウレプトンの質量のエネルギー依存性
                                            (
arXiv:1201.4412 [hep-ph] Figure.1より)
​横軸がエネルギー、縦軸が質量(正確にはYukawa結合)になっていて、青線はボトムクォーク、黒線はタウレプトンの質量値の理論的な振る舞いを示しています。高エネルギー領域では赤丸をつけたところのように質量が統一されることがわかります。
アンカー 2
T2K実験

ニュートリノという素粒子は1950年代に初めて発見されましたが、その性質はまだ謎に包まれています。
中でもニュートリノのCP
対称性は破れているのかどうかというのは大きな問題で、もし対称性の破れが観測されるとなぜこの宇宙に反物質が極端に少なく物質が優勢になっているのかという現代物理学の未解決問題にアプローチすることができます。
T2K実験はニュートリノ振動という現象を通してCP対称性の破れをはじめとする問題の解明を試みる実験です。茨城県
東海村のJ-PARCで加速された陽子からニュートリノビームを生成、295 km離れた岐阜県 神岡のスーパーカミオカンデ検出器​(SK)で検出します。
2023年9月現在、データは約2σ(~95%)の統計的信頼度で最大のCP対称性の破れを示唆していますが、3σ以上でのCP対称性の破れの測定を目指しています。
(T2Kをもっと知りたい方は
コチラも見てみてください)
T2K experiment

Neutrinos are elementary particles that have some mysteries.
CP of neutrino is one of the big problems, and if significant CP violation is observed for neutrinos, it becomes a key for approaching the asymmetry of matter-antimatter in this universe.
T2K is an experiment that can approach opening questions such as neutrino CP Violation through observation of neutrino oscillation. 

Neutrino beams are generated from protons accelerated at J-PARC in Tokai, Ibaraki, and detected at the Super-Kamiokande (SK) detector in Kamioka, Gifu, 295 km away.

As of September 2023, the data implies maximum CP symmetry breaking at a statistical confidence level of about 2σ (~95%), but we aim to measure CP symmetry breaking at 3σ or better.

(To learn more about T2K, click here to see more)

t2k-detail-en.png
               T2K実験のイメージ (HIGGSTANより)
陽子ビームを炭素標的に当ててミューニュートリノを飛ばし、295km離れたスーパーカミオカンデ(SK)検出器で検出しニュートリノ振動を観測します。
ニュートリノには3種類ありますが、ニュートリノ振動はその移動中にタイプが入れ替わる(振動する)現象です。
ニュートリノ反応に伴う中性子多重度

ニュートリノは原子核と反応すると荷電粒子に加えて中性子を出すことがあります。この中性子を検出できると、T2Kのニュートリノ振動解析感度の向上や超新星背景ニュートリノ探索における背景事象抑制に有効と期待されています。
ニュートリノ反応に伴う中性子数の理解はニュートリノ物理における中性子の活用をする上で重要なトピックです。そこで水素原子核による中性子捕獲信号を使って平均中性子数を測定したところ、データとモデルの間には大きな乖離がありました。
このような乖離を理解する上で鍵になるのはモデルで予測される生成中性子数に大きな不定性がつくことです。実際のニュートリノ反応には原子核内・外で核子やパイ粒子が生成・再散乱されることで追加の中性子が生成されるのですが、ここの反応は核物理の理解が足りないために複数のモデル間で振る舞いが異なっています。

2020年からSKに約13tの硫酸ガドリニウム8水和物を溶解しました。ガドリニウムは自然界の元素の中で最も中性子捕獲断面積が大きく、水素原子核に比べると約10万倍も中性子捕獲能力に優れています。これにより現在のSKの環境は純水期の先行研究よりも高い中性子検出効率での中性子数測定が可能となりました。私の解析はガドリニウムを用いたT2Kニュートリノに伴う中性子数の測定を行ない、中性子生成に関する理解を押し拡げるものです。
Multiplicity of neutrons associated neutrino interaction

When neutrinos interact with nuclei, they sometimes emit neutrons in addition to charged particles. Detection of these neutrons is expected to be useful for improving the sensitivity of T2K neutrino oscillation analysis and for suppressing background events in the search for supernova relic neutrinos.
Understanding the multiplicity of neutrons associated with neutrino interactions is an important topic for utilizing neutrons in neutrino physics. Therefore, we measured the mean neutron multiplicity using neutron capture signals by hydrogen nucleus, and found a large discrepancy between the data and models.
The key to understanding these discrepancies is the large uncertainty in the number of neutrons produced as predicted by each interaction model. The actual neutrino interaction involves the production and re-scattering of nucleons and pions inside and outside the nucleus to produce additional neutrons, but the behavior of these interactions are different among the models due to a lack of understanding of nuclear physics. 

Approximately 13 tons of gadolinium sulfate octahydrate has been dissolved in SK since 2020. Gadolinium has the largest neutron capture cross section of any element in nature and is about 100,000 times more capable of capturing neutrons than hydrogen nucleus. This allows the current SK environment to measure neutron counts with higher neutron detection efficiency than previous studies in the pure water phase. My analysis will expand our understanding of neutron production by measuring the neutron number associated with T2K neutrinos using gadolinium.
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         ニュートリノ反応に伴う中性子生成と捕獲のイメージ
ニュートリノは原子核と反応し、荷電レプトンが先発信号として観測されます。原子核内外で生成された中性子はガドリニウム原子核に捕獲されると8 MeVのγ線を出し、これが平均116 μsec遅れた後発信号として観測されます。
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                        純水でのT2Kニュートリノに伴う平均中性子数
                                          (
R. Akutsu, Ph.D thesisより)
右側が主にニュートリノを、左側が反ニュートリノからなるビームでの平均中性子数。バンドはモデルの予測、黒点がそれぞれデータを表す。
陽子ビーム大強度化に向けた
ビームインターロックモジュールの開発

T2K実験のニュートリノビームは30 GeVまで加速された陽子ビームを炭素標的にぶつけることで生成されるパイ粒子の崩壊から作られます。
上述のように現在のT2Kはより多くのデータを収集しCP非対称性測定の統計的信頼度を高めたい局面にあります。そこでより多くのデータを収集できるように510 kWの陽子ビームの強度を1.3 MWまで上げることを計画しています。この大強度化は陽子ビームの標的への照射間隔を2.48 秒から1.16 秒に短縮し、スピルあたりの陽子数を2倍ほど増やすことで実現しようと考えています。
高強度ビームなので、意図した位置に意図した幅で照射できないと、標的や周辺機器を破損させたり放射化してしまうため、常にビームの照射位置と幅をモニタリングする必要があります。
これまではソフトウェアでこれを計算していましたが、処理には1秒ほどかかり、処理時間は他のジョブに影響を受けたりもします。これでは照射間隔を短縮した場合に異常があったビームの次のビームを止めるのに間に合いません。
そこで私は
FPGAに位置と幅の計算・インターロック発報の判断を実装し、数十 μsecから数百 μsecほどの短時間で処理できるようなモジュールの開発を進めています。
Beam interlock module towards
p
roton beam intensity upgrade 

The neutrino beam of the T2K experiment is created from pion decays produced by irradiating proton beam accelerated to 30 GeV on the carbon target.
As mentioned above, T2K is currently in the process of collecting more data to increase the statistical confidence in CP violation measurements. Therefore, we are planning to increase the intensity of the 510 kW proton beam to 1.3 MW so that more data can be collected. We plan to achieve this higher intensity by shortening the proton beam irradiation interval from 2.48 seconds to 1.16 seconds and increasing the number of protons per proton spill by a factor of two.
Because of the high intensity of the beam, if the beam cannot be irradiated at the intended position and width, the target and surrounding equipment will be damaged or radio-activated. Therefore, it is necessary to constantly monitor the irradiation position and width of the beam.
Until now, this has been calculated by software, but the process takes about one second, and the processing time can be affected by other jobs. If the irradiation interval is shortened, it is not possible to stop the next beam that has an anomaly in time.
Therefore, I am developing a module that can process in a short time (tens to hundreds of microseconds) by implementing calculation of position and width and decision of interlock alarm in FPGA.
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研究テーマ2
Theme 2
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