ここからサイトの主なメニューです

LHC Run2のこれまでの結果を踏まえたILCの科学的意義とILC早期実現の提案

国際リニアコライダー(International Linear Collider、ILC) は、高エネルギー物理学のエネルギーフロンティア実験を担う電子・陽電子直線型加速器である。International Committee for Future Accelerators(ICFA)の下で国際的な枠組みで推進されており、2013年には、国際的な設計チームが、重心系エネルギーを500GeVまでカバーし、将来の1TeVへの拡張性を保った加速器施設の技術設計書を発表している。高エネルギー物理学研究者会議は2012年10月に声明を発表し、ILCを国際コミュニティーの同意と各国の参画を得たグローバル・プロジェクトとして日本に建設することを提案した。ILCを日本がホストしたいというこの提案は国際的に大きな反響を呼び、当時行われていた欧州や米国の素粒子物理学の将来戦略策定やICFAの声明で支持が表明された。国内ではこの提案を受け、日本学術会議及び文部科学省有識者会議での議論があり、課題として大きな経費とその分担に関する事項が挙げられ、さらに日米政府の議論に基づいたILCのコスト削減のための研究開発事業が開始された。一方、素粒子物理学実験の進展としては、CERNではLHCのRun2実験が順調に進み、新たな実験結果が発表されている。これらの状況のもと、高エネルギー物理学研究者会議は、LHC Run2のこれまでの結果を踏まえたILCの科学的意義について詳しい検討を行ったが、その結果に基づき、ILCを、重心系250GeVのヒッグスファクトリーとして、早期に建設することを提案する。

2012年10月の提案の背景は、2012年夏にCERN のLHC実験でヒッグス粒子が発見され、素粒子物理学が新たな段階に入ったことである。20世紀を通じて、素粒子物理は、自然界の4つの基本的な力のうち重力を除く3つの力(強い力、弱い力、電磁力)をどのように理解するかということを軸に発展してきた。ヒッグス粒子はその3つの力を記述する理論(素粒子標準理論)により予言されていたものであり、その予言通りにヒッグス粒子が発見されたことは3つの力の理解が大幅に進んだことを意味する。一方、ヒッグス粒子自身の正体は未知であり、その起源を説明する理論として、新たな力や、物質階層の存在、時空構造の拡張などが示唆されている。したがって、ヒッグス粒子を調べることは今後の素粒子物理学の進む方向を決めるうえで決定的に重要であり、将来の拡張性に優れビーム偏極を利用できる特徴を持つILCは、そのための最適な実験施設である。

一方でLHC実験は、強い力で生成される新粒子とその崩壊により新しい物理現象を探る優れた能力を持っている。2015年には、重心系エネルギーを8TeVから13TeVに上げたRun2実験を開始した。2016年は加速器の運転が順調で、その年の国際会議で発表した暫定結果によると、その探索領域は8TeV運転での探索領域を大きく超えるに至ったが、素粒子標準理論を超える明らかな証拠は見つかっていない。今後、データの蓄積によりLHCはさらに探索領域を拡大していく。しかし、これまでのLHCの結果からILCのエネルギー領域で直接対生成が可能な新粒子が発見されなかったことから、ILCにおける重点目標は、「ヒッグス粒子等の精密測定」と「LHCでは発見困難だがILCで直接生成できる新粒子探索」により、新しい物理の探索を進めることであることが明確になってきた。

このような状況を踏まえ、高エネルギー物理学研究者会議では、「ILC250GeV Higgs Factoryの物理意義を検証する委員会」を設置し、重心系250GeVのILC(ILC250)を建設した場合についての物理的意義を、重心系500GeVのILC(ILC500)を建設した場合やILCを建設しなかった場合と比較・検討した。特に、ヒッグス粒子や標準理論の精密測定による新しい物理のエネルギースケールの決定、電弱対称性と物質・反物質の起源の解明、暗黒物質候補となる新粒子探索などの観点から、ILC250がどのような役割を果たすかについて、High-Luminosity LHC(HL-LHC)やSuperKEKB/Belle2との協働を含めて検証した。その結論は次のとおりである。

  • HL-LHCの物理成果をより実りのあるものとするためにも、ILC250の同時期の実験が望ましい。
  • 新しい物理のスケールが分かっていない現状では、ヒッグス粒子や標準理論の精密検証において、ILC250は、ILC500に十分比肩できる物理成果が期待出来る。
  • HL-LHCやSuperKEKBなどの成果と合わせて、Λ(新しい現象・原理のエネルギースケール)=2-3TeV程度までの新現象の確実な発見や、また物質の非対称性の起源の解明に、ILC250「Higgs Factory」は、不可欠な役割を果たす。
  • エネルギーアップグレードはリニアコライダーの先天的な長所であることから、ILC250は自身で出す結果で示唆される新物理のエネルギースケールに見合ったアップグレードを実行する可能性を持っている。

このように、LHCの状況を踏まえた検討から、ILCの科学的意義はより明確になったといえる。ILCは、重心系250GeVで、最重要な課題であるヒッグス粒子の精密測定で十分な能力を発揮し、HL-LHCやSuperKEKBなどの成果と合わせて、新物理の方向性を決定する役割を担う。その成果に基づき、ILCのエネルギーアップグレードの道を決め、長期間にわたり、その時点での物理的な課題と加速器技術の進展を取り入れ最適な実験環境を提供することができる。そのため、21世紀の素粒子物理学を牽引する実験施設となると期待できる。
以上のことから、LHC Run2のこれまでの結果を踏まえて科学的な重要性を考慮すると、高エネルギー物理学研究者会議は、ILCを、重心系250GeVのヒッグスファクトリーとして、早期に建設することを提案する。
2017年7月22日 高エネルギー物理学研究者会議

Japan Association of High Energy Physicists Scientific Significance of ILC and Proposal of its Early Realization in light of the Outcomes of LHC Run 2

2017/07/22
revised 2017/08/16

The International Linear Collider (ILC) is a linear electron-positron collider, a key experimental facility that enables forefront research at the energy frontier in high energy physics. The ILC has been developed through an international collaboration overseen by the International Committee for Future Accelerators(ICFA). The international team of physicists, Global Design Effort, published in 2013 the Technical Design Report of a 200-500 GeV(extendable to 1TeV)center-of-mass collider. In October 2012, the Japan Association of High Energy Physicists(JAHEP) proposed to construct ILC in Japan under a global collaboration with consensus of the international community and active participation from each country. This proposal received many positive responses from the international community. In particular, it garnered support from European countries and the United States, who were also developing their future particle physics projects, as well as from the ICFA. Upon the launch of JAHEP’s proposal, the Science Council of Japan and a panel of experts under the Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology discussed the proposal. They noted that the large expense and cost sharing are issues that must be solved. Subsequently, a research and development project was initiated to reduce the costs associated with ILC based on the discussions between the governments of Japan and United States. Meanwhile, the Large Hadron Collider(LHC) Run 2 experiments at CERN have continued to progress, and new results have been published. In this context, JAHEP has deliberated the scientific significance of ILC and has come to a conclusion; JAHEP proposes to construct a 250 GeV center-of-mass ILC promptly as a Higgs factory.

The driving force for JAHEP’s proposal released in October 2012 is that particle physics entered a new phase following the discovery of a Higgs boson. Research in the 20th century particle physics focused on elucidating fundamental forces, save gravity, of nature: strong, weak and electromagnetic forces. The existence of a Higgs boson was predicted by the Standard Model, which successfully describes these three forces in a unified way. A Higgs boson was discovered as predicted, indicating that our understanding of these three forces has greatly advanced. On the other hand, the real nature of the Higgs boson remains unknown. Candidate theories to explain the origin of Higgs bosons include new forces, new hierarchies of matter, and extension of the space-time structure. In this light, studying the Higgs boson is definitively important to determine the future of elementary particle physics. The ILC, with additional advantage of energy-extendable and beam-polarization capabilities due to being a linear accelerator, would be the best suited facility for this purpose.

The LHC experiments have an excellent ability to explore new physics by observing new strongly-interacting particles and their decays. The LHC Run 2 experiment, where the center-of-mass energy was increased from 8 TeV to 13 TeV, began in 2015 and the accelerator operated smoothly throughout 2016. The exploratory area (or mass scale) of the Run 2 has, indeed, significantly expanded compared to that under 8-TeV-energy operations. The results reported in 2016 showed that new particles anticipated by physics beyond the Standard Model are unlikely to exist below the mass scale of 1 TeV. This important finding at LHC underscores that the most imminent and important goal of ILC is to explore new physics by precision measurements of the Higgs boson and search for a class of new particles that ILC could directly produce but LHC has difficulty to observe.

JAHEP has established the “Committee on the Physics Significance of ILC 250 GeV Higgs Factory.” The charge to this committee is to verify the significance of a 250 GeV center-of-mass energy ILC(“ILC250”), in particular, by comparing with the case for a 500 GeV center-of-mass ILC(“ILC500”) and the case for no ILC at all. The roles that ILC250 should play were examined from the following perspectives: determination of the energy scale of new physics by precision measurement of the Higgs boson and thorough examination of the Standard Model, elucidation of electroweak symmetry breaking and the origin of matter and antimatter asymmetry, and searching for particles that are candidates of the dark matter. In the Committee’s deliberation, possible synergies with the High-Luminosity LHC(HL-LHC) and SuperKEKB /Belle2 were taken into account.

The Committee’s conclusions are summarized as follows:

  • ILC250 should run concurrently with HL-LHC to enhance physics outcomes from LHC.
  • Given that a new physics scale is yet to be found, ILC250 is expected to deliver physics outcomes that are nearly comparable to those previously estimated for ILC500 in precise examinations of the Higgs boson and the Standard Model.
  • The ILC250 Higgs factory, together with HL-LHC and SuperKEKB, will play an indispensable role in the discovery of new phenomena originating from new physics with the energy scale up to 2-3 TeV and the elucidation of the origin of matter-antimatter asymmetry.
  • A linear collider has a definite advantage for energy-upgrade capability. ILC250 possesses a good potential for its upgrades to reach the higher energy of new physics that the findings of ILC250 might indicate.

As discussed above, the scientific significance and importance of ILC has been further clarified considering the current LHC outcomes. ILC250 should play an essential role in precision measurement of the Higgs boson and, with HL-LHC and SuperKEKB, in determining the future path of new physics. Based on ILC250’s outcomes, a future plan of energy upgrade will be determined so that the facility can provide the optimum experimental environment by considering requirements in particle physics and by taking advantage of the advancement of accelerator technologies. It is expected that ILC will lead particle physics well into the 21st century.

To conclude, in light of the recent outcomes of LHC Run 2, JAHEP proposes to promptly construct ILC as a Higgs factory with the center-of-mass energy of 250 GeV in Japan.

お問合せ先

研究振興局基礎研究振興課素粒子・原子核研究推進室

(研究振興局基礎研究振興課素粒子・原子核研究推進室)

-- 登録:平成30年02月 --