電子陽電子衝突装置LEPでのOPAL測定器による素粒子の研究

• 研究課題/領域番号: 04044040
• 研究種目: 国際学術研究
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 共同研究
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 小林 富雄 東京大学, 理学部, 教授 (50126059)
• 研究分担者: 森井 政宏 東京大学, 理学部, 助手 (50242095) ; MICHELINI Al 欧州原子核研究機構, 素粒子実験部門, 主任研究員 ; 佐々木 真人 東京大学, 理学部, 助手 (40242094) ; 塚本 俊夫 東京大学, 理学部, 助手 (40217287) ; 森 俊則 東京大学, 理学部, 助手 (90220011) ; 川越 清以 東京大学, 理学部, 助手 (40183785) ; 真下 哲郎 東京大学, 理学部, 助手 (60181640) ; 川本 辰男 東京大学, 理学部, 助手 (80153021) ; 竹下 徹 信州大学, 教養部, 助教授 (70154995) ; 駒宮 幸男 東京大学, 理学部, 助教授 (80126060) ; 武田 廣 神戸大学, 理学部, 教授 (30126114) ; 折戸 周治 東京大学, 大学院理学系研究科, 教授 (10092173) ; ALDO Micheli 欧州原子核研究機構素粒子実験部門, 主任研究員
• 研究期間 (年度): 1992 – 1993
• 研究課題ステータス: 完了 (1993年度)
• 配分額: 20,000千円 (直接経費: 20,000千円); 1993年度: 10,000千円 (直接経費: 10,000千円); 1992年度: 10,000千円 (直接経費: 10,000千円)
• キーワード: 欧州原子核研究機構 / 電子陽電子衝突器LEP / Z^0粒子 / 素粒子の標準模型 / トップクォーク / ヒッグス粒子 / τレプトン / ボトムクォーク / 大型電子・陽電子衝突装置LEP / Zﾟ粒子 / 標準理論 / 相互作用 / トップ・クォーク / 大統一理論

研究概要

欧州原子核研究機構(CERN、在ジュネ-ブ)は、21世紀初頭まで素粒子物理学のエネルギーフロンティア最先端を担う加速器として、世界最大かつ最高エネルギーの電子陽電子衝突装置「LEP」を建設した。東京大学理学部を中心とするグループは、このLEPを用いた大規模な国際共同実験「OPAL」において、常に主導的な役割を果たしてきている。OPAL実験の提案及び概念設計に重要な貢献をし、測定器の最重要構成要素の一つである電磁カロリメータの開発、建設を行い、今もその運転および保守を続けている。大型計算機およびワークステーションを用いて大量のデータを精力的に解析し、物理研究の最前線においても大いに活躍を続けている。
LEPは、平成元年8月の運転開始以来、重心系エネルギーをZ^O粒子(弱い相互作用を媒介する質量約910億電子ボルトの粒子)の質量付近に合わせてZ^O粒子の大量生成を行い、その生成、崩壊の研究を行っている。加速器は極めて順調に稼働を続けており、しかも次第に性能を向上させ、ビームの衝突頻度は設計値に近付いている。本科学研究費補助金(国際学術)の当該年度の内、平成4年度はZ^0粒子の生成断面積が最大になる重心系エネルギー(ピーク、平成4年度はZ^O粒子の生成断面積が最大になる重心系エネルギー(ピーク、約910億電子ボルト)でのみ実験を行った。一方、平成5年度はピークだけでなく、その周辺の重心系エネルギー(オフピーク)でも実験を行った。OPAL実験はこの間順調にデータ収集を行い、平成4年度に約77万例、平成5年度に約73万例のZ^0粒子崩壊事象を記録しており、実験開始から通算すればその総数は約2百万例にものぼる。単にデータ量が増えて統計的な価値が上がっただけでなく、各測定器の性能が向上すること、あるいはその理解が深まることで、質的にも一層優れたデータが得られている。なお、東京大学理学部の作製した電磁カロリーメータは全カウンター9440本が作動しており、多くの物理解析に貢献している。
これまでに発表した研究成果の多くは、平成4年度までに収集したデータに基づいている。最近の主な成果を以下に記す。
1.ビームエネルギーの不定性を2000万電子ボルトから600万電子ボルトまで下げることに成功し、Z^0粒子の質量をいまだかつてない精度で決定した。Z^0粒子の諸性質(全崩壊幅、レプトン対およびクォーク対への部分崩壊Z^O粒子の諸性質(全崩壊幅、レプトン対およびクォーク対への部分崩壊幅と生成断面積の前後非対称性など)の測定により、電弱標準理論の精密検証を行った。その結果を総合することで、トップクォークの質量が1500億電子ボルト前後であることが確かになった。また、電弱相互作用と強い相互作用の結合定数の測定値から、大統一理論の検証を行った。
2.タウ粒子の崩壊分岐比、寿命の精密測定により、これまで未解決だったタウ粒子にまつわる2つの問題を解決した。
3.ボトムクォークの諸性質(Z^0粒子からの部分崩壊幅、ボトムクォーク対生成の前後非対称性、ボトムクォークを含む中間子やバリオンの寿命、中性ボトム中間子の振動など)を様々な方法で画期的な精度で測定した。
4.物質の質量の起源を与えるヒッグス粒子の質量は630億電子ボルト以上であることがわかった。一方、L3グループがレプトン対+2光子事象で2光子の不変質量を組むと600億電子ボルトに4事象が異常に集中したという論文を発表した。OPALグループはそれらがある新粒子に由来するものと仮定して、すべての崩壊モードについて探索を行ったが、結果は否定的であった。
以上をはじめとする数多くの成果は論文としてまとめられており、既に学術専門誌に発表されたか、または発表が決定している。また、これらの成果は逐次国際会議などで報告され、その報告書に発表されている。
現時点では平成5年に収集したデータの解析を精力的に行っている。Z^0粒子の全崩壊幅を圧倒的な精度(300万電子ボルト)で決定し電弱統一理論の超精密検証を行うこと、トップクォークの質量をさらに精度良く算定すること、第三世代の素粒子であるタウ粒子とボトムクォークについての知見をさらに深めること、Z^0粒子の稀崩壊事象を百万分の一に迫るレベルまで探索することなど、多くの研究成果が期待されている。

研究成果

• [文献書誌] J.Baines et al.,: "The Data Aquisition System of the OPAL Detector at LEP" Nucl.Inst.and Meth.A325. 271-393 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] The OPAL Collaboration,P.Acton et al.,: "A Study of K^O_SK^O_S Bose-Einstein Correlations in Hadronic Z^O Decays" Phys.Lett.B298. 456-468 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] The OPAL Collaboration,P.Acton et al.,: "A Measurement of K^*(892)^± Production in Hadronic Z^0 Decays" Phys.Lett.B305. 407-414 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] The OPAL Collaboration,P.Acton et al.,: "Studies of Strong and Electroweak Interactions Using FInal State Photon Emission in Hadronic Z^O Decays" Z.Phys.C58. 405-418 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] The OPAL Collaboration,P.Acton et al.,: "QCD Coherence Studies Using Two Particle Azimuthal Correlations" Z.Phys.C58. 207-217 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] The OPAL Collaboration,P.Acton et al.,: "A Study of the Electric Charge Distributions of Quarks and Gluon Jets in Hadronic Z^O Decays" Phys.Lett.B302. 523-532 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] The OPAL Collaboration,P.Acton et al.,: "A Study of Differences Between Quark and Gluon Jets Using Vertex Tagging of Quark Jets" Z.Phys.C58. 387-403 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] The OPAL Collaboration,P.Acton et al.,: "Precision Measurements of the Neutral Current from Hadron and Lepton Production at LEP" Z.Phys.C58. 219-237 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] The OPAL Collaboration,P.Acton et al.,: "Measurement of the tau lifetime" Z.Phys.C59. 183-194 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] The OPAL Collaboration,P.Acton et al.,: "Evidence for Chain-Like Production of Strange Baryon Paris in Jets" Phys.Lett.B305. 415-427 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] The OPAL Collaboration,P.Acton et al.,: "Measurement of the B^O and B^+ Lifetimes" Phys.Lett.B307. 247-261 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] The OPAL Collaboration,P.Acton et al.,: "A Determination of α_S(Mz) at LEP Using Resummed QCD Calculations" Z.Phys.C59. 1-19 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] The OPAL Collaboration,P.Acton et al.,: "Measurement of Γ(Z^O→bb)/Γ(Z^O→hadrons) Using Leptons" Z.Phys.C58. 523-539 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] LEP Energy Group,ALEPH,DELPHI,L3,and OPAL,: "Measurement of the Mass of the Z^O Boson and the Energy Calibration of LEP" Phys.Lett.B307. 187-193 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] The OPAL Collaboration,P.Acton et al.,: "Measurement of the B^O_S Lifetime" Phys.Lett.B312. 501-510 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] The OPAL Collaboration,P.Acton et al.,: "Searches for Anomalous Production of High Mass Photon Pairs in е^+е^- Collisions at LEP" Phys.Lett.B301. 391-407 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] J.Baines et al.: "The Data Aquisition System of the OPAL Detector at LEP" Nucl.Inst. and Meth.A325. 271-393 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] The OPAL Collaboration, P.Acton et al.: "A Study of K^0_K^0_ Bose-Einstein Correlations in Hadronic Z^0 Decays" Phys.Lett.B298. 456-468 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] The OPAL Collaboration, P.Acton et al.: "A Measurement of K^*(892)^* Production in Hadronic Z^0 Decays" Phys.Lett.B305. 407-414 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] The OPAL Collaboration, P.Acton et al.: "Studies of Strong and Electroweak Interactions Using FInal State Photon Emission in Hadronic Z^0 Decays" Z.Phys.C58. 405-418 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] The OPAL Collaboration, P.Acton et al.: "QCD Coherence Studies Using Two Particle Azimuthal Correlations" Z.Phys.C58. 207-217 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] The OPAL Collaboration, P.Acton et al.: "A Study of the Electric Charge Distributions of Quarks and Gluon Jets in Hadronic Z^0 Decays" Phys.Lett.B302. 523-532 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] The OPAL Collaboration, P.Acton et al.: "A Study of Differences Between Quark and Gluon Jets Using Vertex Tagging of Quark Jets" Z.Phys.C58. 387-403 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] The OPAL Collaboration, P.Acton et al.: "Precision Measurements of the Neutral Current from Hadron and Lepton Production at LEP" Z.Phys.C58. 219-237 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] The OPAL Collaboration, P.Acton et al.: "Measurement of the tau lifetime" Z.Phys.C59. 183-194 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] The OPAL Collaboration, P.Acton et al.: "Evidence for Chain-Like Production of Strange Baryon Pairs in Jets" Phys.Lett.B305. 415-427 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] The OPAL Collaboration, P.Acton et al.: "Measurement of the B^0 and B^+ Lifetimes" Phys.Lett.B307. 247-261 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] The OPAL Collaboration, P.Acton et al.: "A Determination of alpha_3(M_Z) at LEP Using Resummed QCD Calculations" Z.Phys.C59. 1-19 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Measurement of G(Z^0*bb)/G(Z^0*hadrons) Using Leptons: "The OPAL Collaboration, P.Acton et al." Z.Phys.C58. 523-539 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] LEP Energy Group, ALEPH, DELPHI, L3, and OPAL: "Measurement of the Mass of the Z^0 Boson and the Energy Calibration of LEP" Phys.Lett.B307. 187-193 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] The OPAL Collaboration, P.Acton et al.: "Searches for Anomalous Production of High Mass Photon Pairs in e^+e_- Collisions at LEP" Phys.Lett.B301. 391-407 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] The OPAL Collaboration, P.Acton et al.: "Measurement of the B^0_ Lifetime" Phys.Lett.B312. 501-510 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] The OPAL Collaboration,P.D.Acton et al.: "A Study of Charged Particle Multiplicities in Hadronic Decays of the Z^0," Z.Phys.C53. 539 (1992)
• [文献書誌] The OPAL Collaboration,P.D.Acton et al.: "Properties of Multihadronic Events with a Final State Photon at √<s>=M_x" Z.Phys.C54. 193-209 (1992)
• [文献書誌] The OPAL Collaboration, P.D.Acton et al.: "Measurement of the Average B Hadron Lifetime in Z^0 Decays" Phys.Lett.B274. 513 (1992)
• [文献書誌] The OPAL Collaboration, P.D.Acton et al.: "Measurement of B^0-B^0 Mixing in Hadronic Z^0 Decays" Phys.Lett.B276. 379-392 (1992)
• [文献書誌] The OPAL Collaboration, P.D.Acton et al.: "An Improved Measurement of α_s(M_z)Using Energy Correlations with the OPAL Detector at LEP" Phys.Lett.B276. 547-564 (1992)
• [文献書誌] The OPAL Collaboration, P.D.Acton et al.: "Search for Free Gluons in Hadronic Z^0 Decays" Phys.Lett.B278. 485-494 (1992)
• [文献書誌] J.Allison et al.: "The Detector Simulation Program for the OPAL Experiment at LEP" Nucl. Inst. Meth.A320. 183-200 (1992)
• [文献書誌] The LEP Collaborations: ALEPH,DELPHI,L3 and OPAL: "Electroweak Parameters of the Z^0 Resonamce and the Standard Model" Phys.Lett.B276. 247-253 (1992)
• [文献書誌] The OPAL Collaboration,P.Acton et al.: "Test of CP-invariance in e^+e^- → Z^0 → γ^+γ^- and a limit on the weak dipole moment of the γ lepton" Phys.Lett.B281. 405-415 (1992)
• [文献書誌] The OPAL Collaboration,P.Acton et al.: "A Global Determination of α_s(M_Z)at LEP" Z.Phys.C55. 1-24 (1992)
• [文献書誌] The OPAL Collaboration,P.Acton et al.: "Evidence for b-flavoured Baryon Production in Z^0 Decays at LEP" Phys.Lett.B281. 394-404 (1992)
• [文献書誌] The OPAL Collaboration,P.Acton et al.: "A Measurement of Electron Production in Hadronic Z^0 Decays and a Determination of Γ(Z^0 → bb)" Z.Phys.C55. 191-207 (1992)
• [文献書誌] The OPAL Collaboration,P.Acton et al.: "A Test of Higher Order Electroweak Theory in Z^0 Decays to Two Leptons with an Associated Pair of Charged Particles" Phys.Lett.B287. 389-400 (1992)
• [文献書誌] The OPAL Collaboration,P.Acton et al.: "A Study of Two-particle Momentum Correlations in Hadronic Z^0 Decays" Phys.Lett.B287. 401-412 (1992)
• [文献書誌] The OPAL Collaboration,P.Acton et al.: "Measurement of the tau Topological Branching Ratios at LEP" Phys.Lett.B288. 373-385 (1992)
• [文献書誌] The OPAL Collaboration,P.Acton et al.: "A Measurement of Strange Baryon Production in Hadronic Z^0 Decays" Phys.Lett.B291. 503-518 (1992)
• [文献書誌] The OPAL Collaboration,P.Acton et al.: "A Measurement of the Forward-Backward Charge Asymmetry in Hadronic Decays of ht Z^0" Phys.Lett.B294. 436-450 (1992)
• [文献書誌] The OPAL Collaboration,P.Acton et al.: "A Search for Doubly-charged Higgs Production in Z^0 Decays" Phys.Lett.B295. 347-356 (1992)
• [文献書誌] The OPAL Collaboration,P.Acron et al.: "Evidence for the Existence of the Strange b-flavour Meson B^0_s in Z^0 Decays" Phys.Lett.B295. 357-370 (1992)