研究テーマ
研究概要
素粒子の標準模型は実験により非常に緻密なテストを経た理論です. 2012年7月に, その最後の粒子である「ヒッグスボソン」らしき存在が, ジュネーブ郊外にあるラージハドロンコライダー(LHC)による実験で報告されました. それから一年余りを経て「ヒッグスボソン」であろうことが確立しました. しかしながら, ヒッグスボソンの相互作用は実験的にはまだ良く検証されていません. 一方で, 素粒子標準模型では説明出来ない現象（ニュートリノ質量の起源や暗黒物質）も見つかっており, その問題の解決が急務となっています. 私はこれらの問題の解決方法や検証方法をヒッグスボソンの物理を中心に研究しています.
キーワード ヒッグスボソン, 拡張ヒッグス模型, 電弱対称性の破れ, コライダー(LHC, ILC)現象論, タウレプトン, ニュートリノ質量, フレーバーの物理, 暗黒物質, アクシオン
キーワード ヒッグスボソン, 拡張ヒッグス模型, 電弱対称性の破れ, コライダー(LHC, ILC)現象論, タウレプトン, ニュートリノ質量, フレーバーの物理, 暗黒物質, アクシオン
研究の紹介
漸近安全な量子重力シナリオとフェルミオン暗黒物質
EPJC 80 (2020) 368
hep-ph/2002.03666
漸近的に安全な量子重力は, 非自明な固定点の周りの有限個の演算子で低エネルギーの現象を記述する理論でありゲージ階層性問題を解決する可能性があります. このような考え方に従うと, プランクスケールにおける古典的スケール不変性やヒッグスポテンシャルの平坦性が帰結されます. 標準模型を拡張して漸近的に安全な量子重力シナリオを最小の形で実現するには新たなゲージ相互作用と新たなフェルミオンが必要であるので, 暗黒物質として振る舞う新フェルミオンが新たなU(1)ゲージ理論に従うものとして模型を構築しました. このシナリオは古典的スケール不変性やヒッグスポテンシャルの平坦性により強く制限されているため, 一般に低エネルギーの観測可能量にとても強い予言が得られます. 提案した模型では暗黒物質と核子間の散乱断面積に対して非常に強い予言を与えるため、近い将来にXENON1Tでの検証が期待されます.
一般化ヒッグス有効理論の対称性と幾何学 Phys. Rev. D100, 075020 (2019) hep-ph/1904.07618
ヒッグス粒子の精密検証が次世代の基本理論構築の鍵となると考えられています. 一方で, 現在広く用いられている標準模型有効理論やヒッグス有効理論は新粒子の効果を間接的にしか評価できません. そこで, 任意のスカラー場を追加した一般化ヒッグス有効理論を構築しました. このような枠組みを使えば, 標準模型からのズレを新粒子の持つべき性質に還元していくことができます. さらに, 一般化ヒッグス有効理論では幾何学の言葉を使って現象を記述することで, スカラー場の選び方に依らない予言をすることが可能です. このとき, スカラー場の散乱振幅は共変性からも期待されるようにスカラー多様体から構成された曲率テンソルに比例し, 確率の保存を仮定すると多様体が平坦であることが分かりました.
強いCP問題ととニュートリノ質量起源 Phys. Rev. D96, 075039 (2017) hep-ph/1708.03076
CPの破れは我々の世界の物質・反物質非対称宇宙を説明するためには必須です. 一方で, 素粒子の強い相互作用においては, むしろ破れているのが自然とも思われるCP対称性はとても良く成り立っています. これを強いCP問題と言います. 強いCP問題は, PQ機構という解決策が知られていますが, この理論では非常に大きなエネルギースケールの導入が必要とされます. 本研究では, ニュートリノの微小質量を説明するシーソー機構で導入される大きなエネルギーとPQ機構に現れるエネルギースケールを統一的に理解することを試みました. これらの元々は異なる動機から示唆されるエネルギースケールは近く, その統一は興味深い可能性です.
"強く"相互作用する暗黒物質(SIMP)とニュートリノ質量起源 JHEP 07 (2017) 101 hep-ph/1705.00592
宇宙史の中で熱的に生成される暗黒物質の有望な候補として"弱く"相互作用する暗黒物質(WIMP)がありますが, 地下実験等における直接探索で強く制限されてきています. 一方, 最近になって指摘された熱的な暗黒物質の候補が"強く"相互作用する暗黒物質(SIMP)です. このようなシナリオでは, 隠れたセクターで比較的軽い暗黒物質同士が"強く"相互作用し, 我々の世界の素粒子(標準模型粒子)とはとても弱く相互作用します. 本研究では, このとても弱い相互作用を通じてニュートリノ質量の起源を説明する模型を構築しました.
光学結晶を使った多光子背景事象抑制 Prog. Theor. Exp. Phys. (2017) 043B03 physics.optics/1612.02423
原子(分子)は光子を放出してエネルギー遷移するが, 素粒子の弱い相互作用を考慮すればニュートリノ対の放出も起こります. この過程はマクロコヒーラント機構で増幅できますが, 同時に背景事象となる多光子を放出する過程も増幅されます. したがって, 多光子背景事象の抑制がニュートリノ質量分光の実現の鍵となります. 本研究では, 実験環境を誘電体多層膜(光学結晶)で囲み光子に"質量"を与えることで背景事象を抑制する方法を提案しました. ニュートリノは電磁相互作用しないので, このような環境効果を受けないため, 光子だけを"重く"してその放出を運動学的に禁止できます.
スカラー多重項とランダウポール [ 第11回素粒子メダル奨励賞：濱田雄太氏, 川名清晴氏(京都大学)との共同受賞. ]
Phys. Lett. B747 (2015) 238 hep-ph/1505.01721
標準模型を超える物理を考えると, ほとんどの場合に新しいスカラー粒子が導入されます. 例えば, 暗黒物質を説明する簡単な枠組みとして, 弱い相互作用をする多重項を一つだけ加えるものがあります. 本研究では, そのような模型におけるランダウポール(結合定数がエネルギーに依存して発散する振る舞い)を評価しました. スカラー多重項を追加して４点結合のエネルギー依存性を調べると紫外切断が非常に低くなることが分かりました. 低い紫外切断は高次演算子が無視できないことを意味し, 広範な模型の有効なパラメタ領域に制限を与えられます.
ユニタリ性と輻射補正の有限性 Phys. Rev. D91, 034030 (2015) hep-ph/1409.1709
ヒッグス結合が標準模型の予言からズレると, 高エネルギー領域で弱ボソンの散乱がユニタリ性を破ることが知られています. 逆にユニタリ性を要求すると付加的なヒッグスボソンまで含めたヒッグス結合の間に和則が得られます. 本研究では, この和則と実験で決定されるヒッグス結合を組み合わせることで得られる付加的なヒッグスボソンへの制限をまとめました. また, 中性ヒッグスボソンのみの系では, 電弱精密測定を特徴付けるパラメータの輻射補正の有限性と弱ボソン散乱のユニタリ性の間に強い関係が示され, 電弱精密測定の結果も付加的なヒッグスボソンへの制限として利用できることが分かりました.
拡張ヒッグス模型の指紋照合 Phys. Rev. D90, 075001 (2014) hep-ph/1406.3294
発見されたヒッグスボソンは標準模型の予言する性質と”近い”性質を持っていることが分かってきました. 一方で, 標準模型を超える新物理学模型ではしばしばヒッグスボソンの仲間が予言されます. その仲間の存在と存在するのであればどのような性質を持っているかどうかを, 発見されたヒッグスボソンの相互作用の強さの標準模型の予言からのズレによって捉える方法を研究しました. 第２のヒッグスボソンのLHC実験による直接検証についても検討しました.
7表現ヒッグス模型 Phys. Rev. D87, 053004 (2013) hep-ph/1301.6455
素粒子標準模型のヒッグスボソンはSU(2)の２表現に属します. この表現に属すことは電弱相互作用の精密測定から強く信じられていますが, この制限を満たせる次に小さい表現が7表現です. このようなヒッグス場は以前より指摘されていましたが, すぐに問題が起こる(質量ゼロの粒子が生じる)ことが知られてきました. この問題の解決方法を示し, さらに暗黒物質候補を含む模型へと拡張しました. LHC実験により標準模型的なヒッグスボソンとどう見分けをつけていくかについても検討しました.
LHC実験におけるレプトン数の破れ Phys. Lett. B718 (2013) 1436 hep-ph/1210.5622
レプトン数を破る過程はこれまで見つかっていませんが, その可能性が指摘されています. 通常の探索は低エネルギーで物質をマクロな量だけ用意することで反応数を稼ぎます. コライダー実験では十分な量を用意することが出来ませんが, そこを解決するトリックとして粒子がマクロな時間で崩壊することに注目しました. LHC実験における色電荷を持つ粒子の生成崩壊過程からレプトン数を破る過程が観測される可能性を示しました. さらに, ニュートリノの極小質量を輻射補正により説明する模型に埋め込みました.
電荷２ヒッグスのLHC実験による分類 [ 第８回素粒子メダル奨励賞：杉山弘晃氏(京産大益川塾), 横谷洋氏(富山大学)との共同受賞. ]
Phys. Lett. B717 (2012) 229 hep-ph/1207.0179
ニュートリノ質量を説明する模型に"電荷２"のヒッグス粒子がしばしば登場します. これらの粒子の性質を実験的に区別することはその質量生成メカニズムの解明に繋がります. 電荷２ヒッグスは"右巻き"もしくは"左巻き"のレプトン対としか相互作用しません. 一方, 加速されたタウレプトンはその崩壊分布を見ることで, "右巻き"か"左巻き"が分かる特異な粒子として知られます. したがって, 電荷２ヒッグスがタウレプトンを通じた崩壊をする際に, その崩壊物のエネルギー分布を調べると, 親の電荷２ヒッグスの性質が見分けられます.
漸近的に安全な量子重力は, 非自明な固定点の周りの有限個の演算子で低エネルギーの現象を記述する理論でありゲージ階層性問題を解決する可能性があります. このような考え方に従うと, プランクスケールにおける古典的スケール不変性やヒッグスポテンシャルの平坦性が帰結されます. 標準模型を拡張して漸近的に安全な量子重力シナリオを最小の形で実現するには新たなゲージ相互作用と新たなフェルミオンが必要であるので, 暗黒物質として振る舞う新フェルミオンが新たなU(1)ゲージ理論に従うものとして模型を構築しました. このシナリオは古典的スケール不変性やヒッグスポテンシャルの平坦性により強く制限されているため, 一般に低エネルギーの観測可能量にとても強い予言が得られます. 提案した模型では暗黒物質と核子間の散乱断面積に対して非常に強い予言を与えるため、近い将来にXENON1Tでの検証が期待されます.
一般化ヒッグス有効理論の対称性と幾何学 Phys. Rev. D100, 075020 (2019) hep-ph/1904.07618
ヒッグス粒子の精密検証が次世代の基本理論構築の鍵となると考えられています. 一方で, 現在広く用いられている標準模型有効理論やヒッグス有効理論は新粒子の効果を間接的にしか評価できません. そこで, 任意のスカラー場を追加した一般化ヒッグス有効理論を構築しました. このような枠組みを使えば, 標準模型からのズレを新粒子の持つべき性質に還元していくことができます. さらに, 一般化ヒッグス有効理論では幾何学の言葉を使って現象を記述することで, スカラー場の選び方に依らない予言をすることが可能です. このとき, スカラー場の散乱振幅は共変性からも期待されるようにスカラー多様体から構成された曲率テンソルに比例し, 確率の保存を仮定すると多様体が平坦であることが分かりました.
強いCP問題ととニュートリノ質量起源 Phys. Rev. D96, 075039 (2017) hep-ph/1708.03076
CPの破れは我々の世界の物質・反物質非対称宇宙を説明するためには必須です. 一方で, 素粒子の強い相互作用においては, むしろ破れているのが自然とも思われるCP対称性はとても良く成り立っています. これを強いCP問題と言います. 強いCP問題は, PQ機構という解決策が知られていますが, この理論では非常に大きなエネルギースケールの導入が必要とされます. 本研究では, ニュートリノの微小質量を説明するシーソー機構で導入される大きなエネルギーとPQ機構に現れるエネルギースケールを統一的に理解することを試みました. これらの元々は異なる動機から示唆されるエネルギースケールは近く, その統一は興味深い可能性です.
"強く"相互作用する暗黒物質(SIMP)とニュートリノ質量起源 JHEP 07 (2017) 101 hep-ph/1705.00592
宇宙史の中で熱的に生成される暗黒物質の有望な候補として"弱く"相互作用する暗黒物質(WIMP)がありますが, 地下実験等における直接探索で強く制限されてきています. 一方, 最近になって指摘された熱的な暗黒物質の候補が"強く"相互作用する暗黒物質(SIMP)です. このようなシナリオでは, 隠れたセクターで比較的軽い暗黒物質同士が"強く"相互作用し, 我々の世界の素粒子(標準模型粒子)とはとても弱く相互作用します. 本研究では, このとても弱い相互作用を通じてニュートリノ質量の起源を説明する模型を構築しました.
光学結晶を使った多光子背景事象抑制 Prog. Theor. Exp. Phys. (2017) 043B03 physics.optics/1612.02423
原子(分子)は光子を放出してエネルギー遷移するが, 素粒子の弱い相互作用を考慮すればニュートリノ対の放出も起こります. この過程はマクロコヒーラント機構で増幅できますが, 同時に背景事象となる多光子を放出する過程も増幅されます. したがって, 多光子背景事象の抑制がニュートリノ質量分光の実現の鍵となります. 本研究では, 実験環境を誘電体多層膜(光学結晶)で囲み光子に"質量"を与えることで背景事象を抑制する方法を提案しました. ニュートリノは電磁相互作用しないので, このような環境効果を受けないため, 光子だけを"重く"してその放出を運動学的に禁止できます.
スカラー多重項とランダウポール [ 第11回素粒子メダル奨励賞：濱田雄太氏, 川名清晴氏(京都大学)との共同受賞. ]
Phys. Lett. B747 (2015) 238 hep-ph/1505.01721
標準模型を超える物理を考えると, ほとんどの場合に新しいスカラー粒子が導入されます. 例えば, 暗黒物質を説明する簡単な枠組みとして, 弱い相互作用をする多重項を一つだけ加えるものがあります. 本研究では, そのような模型におけるランダウポール(結合定数がエネルギーに依存して発散する振る舞い)を評価しました. スカラー多重項を追加して４点結合のエネルギー依存性を調べると紫外切断が非常に低くなることが分かりました. 低い紫外切断は高次演算子が無視できないことを意味し, 広範な模型の有効なパラメタ領域に制限を与えられます.
ユニタリ性と輻射補正の有限性 Phys. Rev. D91, 034030 (2015) hep-ph/1409.1709
ヒッグス結合が標準模型の予言からズレると, 高エネルギー領域で弱ボソンの散乱がユニタリ性を破ることが知られています. 逆にユニタリ性を要求すると付加的なヒッグスボソンまで含めたヒッグス結合の間に和則が得られます. 本研究では, この和則と実験で決定されるヒッグス結合を組み合わせることで得られる付加的なヒッグスボソンへの制限をまとめました. また, 中性ヒッグスボソンのみの系では, 電弱精密測定を特徴付けるパラメータの輻射補正の有限性と弱ボソン散乱のユニタリ性の間に強い関係が示され, 電弱精密測定の結果も付加的なヒッグスボソンへの制限として利用できることが分かりました.
拡張ヒッグス模型の指紋照合 Phys. Rev. D90, 075001 (2014) hep-ph/1406.3294
発見されたヒッグスボソンは標準模型の予言する性質と”近い”性質を持っていることが分かってきました. 一方で, 標準模型を超える新物理学模型ではしばしばヒッグスボソンの仲間が予言されます. その仲間の存在と存在するのであればどのような性質を持っているかどうかを, 発見されたヒッグスボソンの相互作用の強さの標準模型の予言からのズレによって捉える方法を研究しました. 第２のヒッグスボソンのLHC実験による直接検証についても検討しました.
7表現ヒッグス模型 Phys. Rev. D87, 053004 (2013) hep-ph/1301.6455
素粒子標準模型のヒッグスボソンはSU(2)の２表現に属します. この表現に属すことは電弱相互作用の精密測定から強く信じられていますが, この制限を満たせる次に小さい表現が7表現です. このようなヒッグス場は以前より指摘されていましたが, すぐに問題が起こる(質量ゼロの粒子が生じる)ことが知られてきました. この問題の解決方法を示し, さらに暗黒物質候補を含む模型へと拡張しました. LHC実験により標準模型的なヒッグスボソンとどう見分けをつけていくかについても検討しました.
LHC実験におけるレプトン数の破れ Phys. Lett. B718 (2013) 1436 hep-ph/1210.5622
レプトン数を破る過程はこれまで見つかっていませんが, その可能性が指摘されています. 通常の探索は低エネルギーで物質をマクロな量だけ用意することで反応数を稼ぎます. コライダー実験では十分な量を用意することが出来ませんが, そこを解決するトリックとして粒子がマクロな時間で崩壊することに注目しました. LHC実験における色電荷を持つ粒子の生成崩壊過程からレプトン数を破る過程が観測される可能性を示しました. さらに, ニュートリノの極小質量を輻射補正により説明する模型に埋め込みました.
電荷２ヒッグスのLHC実験による分類 [ 第８回素粒子メダル奨励賞：杉山弘晃氏(京産大益川塾), 横谷洋氏(富山大学)との共同受賞. ]
Phys. Lett. B717 (2012) 229 hep-ph/1207.0179
ニュートリノ質量を説明する模型に"電荷２"のヒッグス粒子がしばしば登場します. これらの粒子の性質を実験的に区別することはその質量生成メカニズムの解明に繋がります. 電荷２ヒッグスは"右巻き"もしくは"左巻き"のレプトン対としか相互作用しません. 一方, 加速されたタウレプトンはその崩壊分布を見ることで, "右巻き"か"左巻き"が分かる特異な粒子として知られます. したがって, 電荷２ヒッグスがタウレプトンを通じた崩壊をする際に, その崩壊物のエネルギー分布を調べると, 親の電荷２ヒッグスの性質が見分けられます.