研究課題名：高エネルギー縦偏極電子・陽子衝突による標準模型の精密検証

1．研究課題名：

高エネルギー縦偏極電子・陽子衝突による標準模型の精密検証

2．研究期間：

平成16年度～平成20年度

3．研究代表者：

徳宿　克夫（高エネルギー加速器研究機構素粒子原子核研究所・助教授）

4．研究代表者からの報告

（1）研究課題の目的及び意義

　ドイツ・ハンブルグ市のDESY（デイジー）研究所にある世界唯一の電子・陽子衝突型加速器HERA（ヘラ）を用いて、縦偏極した電子を陽子に衝突させる実験を進め、電弱相互作用および強い相互作用の精密測定を進めるのが本研究の目的である。電子を複雑な構造を持つ陽子に衝突させることは、陽子の内部をより細かく見る微細電子顕微鏡実験ともいえる。これにより現在広範囲で成功を収めている素粒子の「標準模型」を検証するとともに、それを越える現象の探索を進める。近年ニュートリノに質量があって、数種のニュートリノの混合が起こっていることが明らかになり、宇宙観測のデータは我々の宇宙が未知なダークマターやダークエネルギーで覆われていることを強く示唆している。これらはすべて標準模型の枠を超える現象であり、これを説明する理論の特定が急務である。本研究では、世界最高エネルギーで電子・陽子衝突実験を行い、電子、陽子そしてその間の力を媒介する粒子の構造を10^-18の精度（陽子の大きさの約千分の一）で測定しながら、新現象の探索を進める。
　HERA（ヘラ）の加速器では、現在縦偏極した電子あるいは陽電子ビームを衝突できるようになった。左右に偏極したビームを使うことで、標準模型に見られる左右の非対称性を直接観測でき、標準模型とのずれを見る感度があがる。
　さらに、陽子内部のクォークやグルーオン分布を精度良く求めることや、クォークがハドロン化する現象を詳しくしらべることにより、クォークとグルーオン間の強い相互作用を説明する量子色力学を検証する。このデータは、将来のLHCでの高エネルギー電子・陽子衝突実験への基礎的で重要な入力情報でもある。

（2）研究の進展状況及び成果の概要

　実験は順調に進んでおり、平成16年夏まで偏極陽電子と陽子の衝突データを収集した後、同年10月から偏極電子・陽子衝突に切り替えた。すでに過去の3倍以上の電子・陽子データを得ることができた。我々が担当している測定器もすべて順調に稼動している。
　収集した偏極陽電子・陽子反応から、荷電流反応の断面積の測定を進めた。暫定結果を平成16年8月の国際会議で発表し、現在投稿論文の最終準備段階に入っている。陽電子の偏極度と共に荷電流反応断面積が変化し、その量が標準模型の予測値と一致することを示し、この高いエネルギーで標準模型の左右非対称性を実験的に検証することができた。今後収集する電子・陽子衝突のデータも合わせて解析することで新相互作用の探索を進める。新しく設置した飛跡検出器を使って、重いクォークの生成断面積を測定する研究も始めた。
　過去に収集した無偏極衝突のデータの解析も進み、10編の論文を公表した。陽子の構造関数の測定とジェット生成断面積の測定の結果を総合することで、陽子内部のクォークやグルーオンの分布の測定精度を上げられることがわかった。強い相互作用の結合定数も精度良く測定できた。
　回折反応でのジェット生成に関して断面積の暫定結果を出し、国際会議で発表した。光子・陽子回折反応でのジェット断面積の測定結果と、電子・陽子及び反陽子・陽子衝突での回折反応の断面積の測定結果を総合的に説明できる理論がないことがわかり、新たなモデルが必要であることを示した。

5．審査部会における所見

A（現行のまま推進すればよい）
　HERA（ヘラ）加速器、ZEUS測定器ともに稼働中であり、着実に物理データの収集が進んでいる。特に、電子（陽電子）の縦偏極を用いた弱い相互作用の左右非対称性の系統的研究は、電弱統一理論を含む素粒子標準模型の精密検証に大きく貢献するものであり、既に、陽電子・陽子衝突の結果を公表し、現在は、電子・陽子衝突のデータ収集と解析が着実に進行している。また、電子（陽電子）を用いた「陽子の構造関数」の決定は、強い相互作用における地道な分野であるが、着実に知見を積み重ねており、2007年稼動開始予定のLHC実験の重要なインプットになると期待される。以上のように、世界で唯一の電子（陽電子）・陽子衝突装置を使ったユニークな研究が、当初の研究計画調書に概ねそった形で順調に進んでいると判断した。