申請領域の研究の必要性

素粒子物理学は，物質の究極の構成要素である素粒子の探究とその反応メカニズムの解明を目指す学問である。二十世紀後半の素粒子物理学は， 「標準理論(The Standard Model)」と呼ばれる 素粒子反応の基本理論の確立を最大の目標として発展してきた。 標準理論は， （１）ゲージ普遍性の原理，（２）電弱相互作用の自発的対称性の破れによる質量の生成， （３）素粒子（クォークとレプトン）の三世代の階層構造という三つの柱からなっている。 このうち，第一のゲージ原理は，物質の構成要素であるクォークとレプトンというフェルミオン 間の相互作用がゲージボゾンと呼ばれるスピン１のボゾンの交換によって起こることを明らかに した。 その正しさは，弱い相互作用のゲージボゾン W⁺,W^-,Z⁰ と強い相互作用のゲージボゾン（グルーオン）の 加速器実験による発見に代表される数々の実験事実によって実証されている。 一方，上記第三，フェルミオンの階層構造（世代）が，自然界の粒子と反粒子のアンバランスに 重要な関わりがあるとする「小林・益川理論」については，文部省高エネルギー加速器研究機構 (KEK) のBファクトリーでその 検証が着々と進んでいる（文献１）。 標準理論について未だ確証が得られていないのは，フェルミオンやボゾンがなぜ質量を持っているのかを説明する 自発的対称性の破れの（ヒッグズ機構とも呼ばれる）メカニズムである。 「ヒッグス粒子の真空凝縮によってゲージボゾン，クォーク，レプトンに質量が与えられる」という標準理論の質量起源に対する 予言は未だ実験室で確認されていない。

本領域代表者（金）および計画研究A2代表者（相原）は， 米国フェルミ国立研究所テバトロン陽子・反陽子衝突型加速器を 用いたトップクォークの発見およびその後の研究にたずさわってきた（文献２，３）。 トップクォークは，６種のクォークのうち最も重いものであり， その質量 175GeV/c² は金原子１個に相当するほど 大きい。 なぜ，このように重いクォークが存在するのか，この巨大な質量に意味があるのかないのか， あるとすればその理由は何なのかについて， 我々素粒子物理学者は強い興味を抱いてきた。 質量の起源が， 標準理論の言う自発的対称性の破れのメカニズムにあるのか，それとも この理論の枠組みにおさまらない新理論にあるのか，これは 今後の素粒子物理学の方向を決める最も重要な課題である。

標準理論においてはクォークやレプトンの質量は 実験で決定されるべきパラメータである。 標準理論は，これらフェルミオンの質量パラメータとして少なくとも９個， ニュートリノに質量があれば１２個のパラメータを持っていることになる （表1参照）。 これらのパラメータをアプリオリに決定する原理すなわち標準理論よりいっそう基礎的な 物理が存在するのかどうか，あるとすればその新しい基礎理論の手がかりを得ることが，現代素粒子物理学の急務である。

表１. クォークとレプトンの周期率表

フレーバー（クォーク）	質量(MeV/c2)	電荷（e）	フレーバー（レプトン）	質量(MeV/c2)	電荷（e）
u	5	+2/3	νe	0 ?	0
d	8	-1/3	e	0.511	-1
c	1,500	+2/3	νμ	0 ?	0
s	160	-1/3	μ	105.7	-1
t	175,000	+2/3	ντ	0 ?	0
b	4,250	-1/3	τ	1,777	-1



この新しい物理の可能性として最も注目されかつ期待されている理論が， フェルミオンとボゾンの間の対称性にもとづく超対称性理論である。 超対称性理論によるとすべての粒子にはスピン統計性の異なるパートナーがある。 スピン1/2のフェルミオンであるクォークやレプトンはスピン0のスカラー粒子と 対になっている。 この超対称性にもとづく大統一理論，すなわち「素粒子に働く強い力，電磁力，そして弱い力の 三種類の力が超高エネルギーでは統一されて一つになる」という理論を仮定するとヒッグス粒子と呼ばれる 未知の粒子の質量が150GeV/c²以下でなければならないことが導かれる。 ヒッグス粒子は，質量起源が自発的対称性の破れにあるならば，必ず存在しなくてはいけない スカラー粒子である。標準理論だけでは，ヒッグス粒子の質量について，何の制限も与えることはできないが，超対称性理論と組み合わせると，その質量に制限を加えることができるのである。 このヒッグス粒子を発見できれば，質量起源が自発的対称性の破れにあることを証明することになる。 さらに，その質量が150GeV/c²程度であれば，標準理論の先にあるより基礎的な理論が超対称性理論である可能性が きわめて高くなる。 本領域研究期間中，このヒッグス粒子を直接探査できる加速器は，フェルミ国立研究所 (FNAL) のテバトロン加速器しかない。 本領域計画研究A1班の研究者グループは，テバトロンにおいてトップ(t)クォークを発見し， さらにbクォークとcクォークの束縛状態である B_c中間子を発見する（文献４）など，陽子・反陽子衝突実験における新粒子発見に確固たる実績がある。 この計画研究によるテバトロンでの実験が，150GeV/c²程度という比較的軽いヒッグス粒子 を発見できる可能性はきわめて高い。 ヒッグス粒子の直接探査が，この領域の第一の目的である。

超対称性理論など標準理論の先にある新しい物理を検知するもう一つの有効な手段は， K中間子，B中間子およびタウレプトン崩壊の精密測定である。 これらの粒子の崩壊は，新しい物理の効果に敏感であることが理論的に示されている。 KEKのBファクトリーに代表される「粒子ファクトリ−」は， これらの中間子やレプトンを大量に発生することができる。 これらの粒子の崩壊現象を精密に測定し，標準理論の予測値と厳密に比較することにより，いままでに検出されていなかった「標準理論からのずれ」を発見することが可能である。 特に，K中間子およびB中間子におけるCP非保存現象は，自発的対称性の破れから 生ずる「小林・益川理論」が予言する現象であり，B中間子におけるCP非保存とK中間子 におけるCP非保存（文献５）の比較は，新しい物理を発見するのに最も有効な手段の一つである。 具体的には，K中間子ファクトリーを用いて， 小林益川行列の中でCPの破れを決めるIm(V_td)と、|V_td|の大きさを、 約5%の精度で測定する（文献６）。 標準理論の予測やB中間子の結果と異なる値が得られれば、小林・益川理論以外のCPの破れの存在を意味する。 さらに，超対称性理論は，タウレプトンの崩壊現象の中にフレーバー量子数を保存しない崩壊がわずかながら 含まれていると予言する。 BファクトリーはB中間子の工場であると同時にタウレプトンの工場でもあり， タウレプトンの稀な崩壊現象を探すのに最も適した実験環境を提供する。 本領域の第二の目的は，ファクトリー加速器を用いた徹底した精密実験によって 「標準理論からのずれ」を発見し，新しい物理の手がかりを得ることである。

今後５年間（すなわち本領域研究期間）に，ヒッグス粒子の直接探査，標準理論の精密検証そして 超対称性物理の探索など質量起源の解明に関する実験のできる加速器施設は， フェルミ国立研究所のテバトロン，KEKのBファクトリーおよび米国スタンフォード大のBファクトリー， そして米国フェルミ国立研究所と同ブルックヘブン国立研究所のKファクトリー をおいて他にはない。 我が国の実験素粒子物理学研究者が，素粒子物理さらには基礎物理学全体に多大な貢献ができる，まさに 絶好の機会といえる。

本特定領域研究の第三の目的は，次世代加速器とくに，我が国のハドロン加速器であるJHF加速器， CERN（ヨーロッパ原子核連合）で 2005年の完成を目指している超高エネルギー陽子陽子衝突型加速器（LHC）および我が国素粒子物理学会の 次期主力計画として検討が進められている電子陽電子線形衝突型加速器（JLC）での物理の理論的研究 および測定器の開発研究をそれぞれ理論計画研究と公募研究で勢力的に進めることにある。 本領域発足により， 次世代の素粒子物理学を担う若い研究者が，将来の加速器を使った実験に対し積極的に提案をし， かつその開発研究を行うことを可能にする環境を整えることができる。

本領域はトップクォークの発見，BファクトリーとKファクトリーにおける小林・益川理論の検証， B中間子およびK中間子崩壊の 超精密測定など，現代素粒子物理学の骨格をなす研究にたずさわってきた研究者が，その実績に 基づいて現代物理学の最も基礎的かつ興味深いテーマ 「物質に質量があるのはなぜか，物質の質量を決めている物理法則は何か」を現行の加速器を最大限 利用して解明することを目的としている。 領域の学術的水準はきわめて高く，国外においても高く評価されている。 現在われわれが手にしているトップファクトリー，Bファクトリー，Kファクトリーを総合的に利用し 互いに協力して研究を進めれば，次なるブレイクスルー (Breakthrough) を引き起こすことができると確信している。 すでに世界の素粒子物理学をリードしつつある我が国のこの分野が， 本領域の発足によって21世紀の物理を切り拓く原動力となることができる。 さらに本領域の研究は，素粒子物理学と密接な関係にある宇宙物理学にもおおきな影響を与える。 150億年前に，ビッグバンから始まった宇宙の進化の過程を理解するのに，粒子の質量起源の解明は 必須である。 宇宙が，なぜ今の宇宙でありえたのか。フェルミオンの質量パラメータがなぜ現在の数値になっているのか。 この問題の答えは，素粒子物理学のさらなる進展なしにはあり得ない。 本領域の発足は，この答えを出すために必要である。 したがって，本領域は領域公募要領「対象となる領域の特性」の条件 （１），（２）および（４）を十分に満たす。

本特定領域研究は、 5つの実験研究項目 と１つの理論研究項目を主要な柱とする。 その具体的内容は、


• 項目A1： ６種類あるクォークのうち最後まで見つからなかったトップクォークは1994年に テバトロン加速器を使って CDFグループが生成の証拠を発表し，1995年にＤゼログループとともに生成の確認をするに 至り最終的にその存在は確立された。2005年に予定されているヨーロッパ CERN研究所のLHCハドロン加速器が稼働するまではテバトロン加速器が唯一 トップクォークを生成できる加速器である。 このフェルミオンの中で最も重いトップクォークの生成崩壊を精密測定することによって， ヒッグス粒子の質量に対する知見を得ることができる。 かつ， ヒッグス粒子の直接探索については、2000年にヨーロッパ CERN研究所のLEP実験が終了した後はLHCハドロン加速器の稼働まではCDF実験が 唯一可能な実験である。 本計画研究で計画中の高放射線耐性シリコン飛跡検出器はBハドロンの飛程を高精度 で測定するのに必要不可欠である。この検出器は特に ボトム・クォーク・ジェットの同定を用いたヒッグス粒子の探索にとって 重要である。 CDF実験は，2001年3月より衝突実験が再開され，2年程度の期間に2 fb^-1 のデータを取得すると期待される。これらのデータを用いると， ヒッグス粒子の質量が120GeV/c²以下であれば、 95%の信頼度で検出できる。さらに2006年3月までに 7fb^-1 のデータを取得すると期待される。これらのデータを用いると， ヒッグス粒子の質量が180GeV/c²以下であれば、 95%の信頼度で検出できる。
  
  
• 項目A2： Bファクトリーに新しいシリコンデバイスを導入して，質量の起源をさぐる。 本計画研究の独創的な点の第一，Bファクトリービーム軸からわずか1cmの近傍に設置されるデバイス，擬ピクセル検出器である。 このデバイスは超高エネルギー陽子衝突加速器での使用のために開発されたハイブリッド型ピクセルから着想を得，かつ，その欠点である 物質量の多さを克服するために考え出されたもので，わずか17mm長のストリップからなる特殊なシリコンストリップである。 このデバイスを用いた実験は，他にない。これにより，B中間子の崩壊点を約50μmの精度で測定することが可能になる。 これは，現存の加速器実験において最も精度のよい測定となる。また，トリガー機能つきの第面積シリコン検出器を ビーム軸から約8cmのところに設置する。これは，もともとX線検出器用に開発されてきたものを荷電粒子検出に応用したもので， これにより大強度ビームから発生するバックグランドに影響されることなくB中間子データの収集が可能になる。 Bファクトリーにおけるきわめて多様な実験テーマの中から，現代素粒子物理学の中心テーマにしぼった崩壊過程を特定して， その測定に最も適した検出器を製作しようとする研究計画である。
  
  
• 項目A3：KEK Bファクトリーは、B中間子対と同多量のタウ・レプトン対を生成する。また、 Belleスペクトロメータは、高分解能での測定を可能とする。本研究目的は、この高 統計・高品質のタウ・レプトン事象の測定から、タウ物理研究を新世代へ導くととも に、未知の物理を開拓することを狙うものである。 タウ・レプトンは他二種の荷電レプトンと比較し、遥かに重い質量（電子の質量=0.5 MeV; ミューオンの質量=0.1 GeV;タウの質量=1.8 GeV）を持つ。 これは、(1) 相互作用の強さが質量のn乗に依存す るため新しい物理に対する感度が非常に高い、また、(2) ハドロンに崩壊し得る唯一 のレプトンである、(3) 他二種のレプトンや精密測定の行われているπ、K中間子と比 べ、随分と大きなq2を有し研究のエネルギー領域が拡大できる、などの特徴的な利点がある。 Bファクトリーでの膨大な統計量(~ 1 x 10⁸τ-pairs/１００fb^-1 ）は，従来の研究と比べ， タウ物理を格段に大きく展開できるとともに、探究レベルを質・量共に大きく革新することを可能とする。 タウ物理研究には，高分離能力の粒子識別検出器が必要である。 特に，高い運動量（３−４ GeV/c）領域を被う高精度π/K識別は，物理研究の課 題拡充と信頼度向上に非常に重要である。タウ物理の次世代を荷なうBファクトリー に世界が期待する点の一つは、この優れた粒子識別能力である。現Belleは斬新・高 能力なアエロジェル・チェレンコフ検出器を有する（π/K separation at 3 GeV/c = ３）。我々は、さらに識別能力ならびに検出効率が高く、上記の高運動量域までも稼 動する新型検出器を、次期Belle粒子識別検出器候補として、発案、開発研究中であ る。この検出器は、石英チェレンコフ輻射体からのチェレンコフ・ リング像を、光子の石英バーの伝播時間（TOP）と放出角度（Φ）の二変数として検 出するもので、Time-Of-Propagation (TOP) counterと名付ける。 本計画研究で，この新しい検出器の開発を完了させる。
  
  
• 項目A4：KEKのプロトンシンクロトロンを用いて，K_L中間子の稀崩壊 K_L→ π⁰ννを10^-10程度の感度で， 世界に先駆けて探索する。 これによりCPの対称性の破れをに寄与するV_tdの複素成分を直接測定することがのできる。 FNALの120GeV陽子シンクロトロンによるKファクトリ−を用いて， K_L→ π⁰ννを約100事象観測し、V_tdの複素成分を約5%の精度で決定する。 約15GeVの高いエネルギーの$K_L$を用いるので、崩壊でできるガンマ線のエネルギーが高い。 これにより，バックグラウンドとなるK_L→ π⁰π⁰崩壊から出てくる余分なガンマ線に対する不感率が低いことを利用して，バックグラウンドを抑えた精密実験 が可能である。
  
  
• 項目A5：小林益川行列の要素、|V_td|の大きさを測定するために， 米国ブルックヘブン研究所 (BNL) のKファクトリー を用いて，K⁺→ π⁺ννシグナルを数事象観測する。 さらにFNALのKファクトリーを用いて，同反応約100事象観測することにより，|V_tdを約5%の精度で決定する。BNLの30GeVの陽子ビームを用い、 K_L→ π⁰ννを約100事象観測し、 V_tdの複素成分を約5%の精度で決定する。 ガンマ線の方向を測定してK_Lの崩壊点を求め、 約0.7GeV/cという低い運動量のK_Lを用ることによって飛行時間から$K_L$の 運動量を求める。これにより、運動力学的な変数な制約を加えることによって K_L→ π⁰π⁰からのバックグラウンドを抑えることができる。
  
  
• 項目A6： 本特定領域研究の一つの特徴は、理論と実験との密接な共同研究にある。 過去大きな成功を納めた実験研究を振り返ってみると、 その背景に強力な理論グループのサポートを得ているケースが多い。 実験データから、物理の結果を引き出すのに必要な理論的解析を完了させ、 質量起源と超対称性物理の追求を目指すとともに、 理論研究の結果を実験にフィードバックする。 具体的目標は，ヒッグスセクターおよび 超対称模型に関して，そのダイナミクスの解明と宇宙論的考察，そして その現象論的な帰結を明らかにすることであり，これによって上に挙げた最先端の 加速器実験における解析方法，実験結果の解釈の指針を与えるとともに， 将来に対する展望をひらくことである。


本特定領域は，現在稼働中の粒子ファクトリーの 産み出す物理成果のさらなる飛躍をめざすものであるとともに， 大型プロジェクトを支える大学研究機関の技量の一層の発展をはかることを目標としている。 わが国の素粒子物理学分野の健全な発展は、国内外の共同利用研究所のみならず教育・研究機関である 大学グループの充実とそこでの将来を担う有能なる若手研究者の 育成を抜きにしては語れない。 筑波大学，東京大学，名古屋大学，大阪大学，京都大学，東北大学など参加大学は、これまで、 高エネルギー物理学研究所のBファクトリーやプロトンシンクロトロン（Kファクトリー）さらに 日米科学協力事業を通して，新粒子の発見やCP非保存の研究を遂行してきた。 本領域の研究グループは，我が国のファクトリー物理研究の中核を成す研究者によって 構成されており， 本研究課題を遂行するに十分なる実力・実績を有するものである。 本領域の選定は、これらの基幹大学グループが、 質量起源の解明にせまり，超対称性物理研究の成果を確実にあげることを可能とし、 研究の一層の充実をもたらすものである。