※この記事は、2025年1月30日に発行されたILC Newsline特集記事の翻訳記事です。
前回の欧州素粒子物理戦略（以下、欧州戦略）では、最初の勧告として次のように述べられています。
「電子・陽電子ヒッグスファクトリーは、次世代の衝突型加速器として最優先の課題である。この勧告に基づき、私たちは、世界の素粒子物理学コミュニティにとって実現可能な最短の時間スケールで、かつ手頃なコストで、この衝突型加速器の物理学的目標をすべて満たす電子・陽電子ヒッグスファクトリーを建設することが最善の対応であると考えている。
電子・陽電子リニアコライダーを基盤とするソリューションであれば、これらの基準をすべて満たすことができるだけでなく、高輝度LHCやその他の素粒子物理学の世界的な進展に柔軟に対応できる可能性も維持できる。」
電子・陽電子反応におけるヒッグス粒子の研究が、素粒子物理学において最も緊急の課題とされているのには理由があります。
過去30年にわたる実験によって、標準理論が素粒子間に働く基本的な力を驚くほど正確に記述していることが確認されてきました。しかし、この成功は同時に、標準理論だけでは説明できない数々の問題を浮き彫りにしています。たとえば、クォークやレプトンの質量や混合のスペクトルは何によって決まるのか、なぜCP対称性が破れるのか、ニュートリノの質量の起源は何なのか、といった疑問です。
標準理論では、これらの効果はすべてヒッグス場の真空期待値によって生じるとされていますが、そもそもなぜヒッグス場が真空期待値を持つのかについては、まったく解明されていません。もしこれらの謎を解明できるとすれば、それはヒッグス粒子と結びつく、標準理論を超えた新たな物理の存在によるものに違いありません。したがって、ヒッグス粒子に現れる標準理論を超えた効果を、可能な限り高い精度で探ることが、これまで知られていない新たな基本的相互作用を発見する最大の手がかりとなるのです。
電子・陽電子衝突型加速器は、ヒッグス粒子に現れる標準理論を超えた効果を高感度で探るための多くの観測量を提供します。
まず、標準理論のフェルミオンやボソンへの崩壊を通じて決まるヒッグス粒子のカップリングがあります。さらに、ヒッグス粒子ポータルを介した未知のセクターへの崩壊など、予想外の最終状態への崩壊も重要な観測対象となります。
次に、ヒッグスの自己結合があり、2つのヒッグス粒子を生成するHH生成の過程で最も厳密に測定されます。また、ヒッグス粒子が複合体であるモデルでは、トップクォークが新たな複合的な相互作用と結びつく必要があり、その影響はトップクォークの湯川結合、電弱結合、さらにはトップクォークの4フェルミオン相互作用として現れます。
これらの観測量はすべて電子・陽電子衝突型加速器で詳細に測定でき、LHCで得られる精度を大幅に向上させることが可能です。しかし、すべての観測量を測定するためには、電子・陽電子衝突の質量中心エネルギーを1TeVまで高める必要があります。
精密測定によって新たな相互作用を発見するためには、非常に高い証明責任が伴うことを理解することが重要です。素粒子物理学界を納得させるには、標準理論からの逸脱を示す有意な測定が一度行われただけでは不十分です。さまざまな系統的不確かさを考慮しながら、これらの効果を補完的に測定し、確実に裏付ける必要があります。
幸いなことに、電子・陽電子反応におけるヒッグス粒子の包括的な研究は、こうした要請に応えるものとなっています。たとえば、電子・陽電子衝突（e⁺e⁻ → ZH）によって得られるヒッグス結合のずれは、WW融合によるヒッグス生成で独立に検証できます。同様に、e⁺e⁻ → ZHHで測定されたヒッグスの自己結合の効果は、WW → HHの測定によって確認できます。
さらに、電子・陽電子衝突の質量中心エネルギーを拡張することで、こうした検証を補強するさまざまな測定が可能になります。そのため、広い範囲の質量中心エネルギーでの研究が不可欠となります。
前回の欧州戦略の更新では、日本のILCとCERNのCLICの両方が強力なプロジェクト提案を提出しました。今回の欧州戦略でも、最新のパラメーターや技術開発を反映した両プロジェクトの計画が発表される予定です。
ILCで提案されている超伝導RF（SCRF）技術は、産業的な準備状況の高さや大型リニアックプロジェクトの経験という点で独自の強みを持っています。一方で、CLICやC3などで採用されている高勾配技術は、加速器のアップグレードの可能性を大きく広げるものです。これらを組み合わせることで、リニアコライダーには非常に興味深く革新的な実現の道が開かれる可能性があります。
このようなプログラムは、技術的・財政的リスクを最小限に抑えつつ、迅速に実施することが可能です。その一方で、エネルギーやルミノシティの向上に向けた複数の選択肢を備え、科学的目標や到達範囲において引き続き非常に野心的なものとなっています。
欧州戦略の役割は、CERNの次なるフラッグシップ・プロジェクトに対する意欲的な提案を促進することにあります。何よりも、CERNはLHCの建設と運用を成功させてきた実績があり、同規模かつ同程度の技術的多様性を持つ新たなプロジェクトを主導するための経験と能力を備えています。
LCビジョン構想では、CERNに建設される野心的なリニアコライダー施設が提案されています。この施設は段階的に実現され、第一段階としてSCRF技術を用いた電子・陽電子リニアコライダーの建設が計画されています。SCRF技術はすでに広く実用化されており、新しい施設を最も早く実現する手段となります。
このプロジェクトの初期段階のエネルギーは、確保できるCERNの予算や外部からの資金調達の規模にも左右されますが、質量中心エネルギー250GeV、380GeV、550GeVのいずれかで開始することが想定されています。それぞれ、21km、27km、33kmのトンネルが必要となります。また、光度も段階的に引き上げることが可能であり、日本で提案されているILCの初期段階の4倍の光度を実現できる可能性があります。こうした提案に関する詳細なコスト試算は、欧州戦略に向けて現在準備が進められています。
初期技術が十分に活用された後、リニアコライダー施設は新たな技術を導入することでエネルギーやその他の性能を向上させる計画です。たとえば、加速勾配が1メートルあたり40～45メガボルト（MV/m）の先進的なSCRF技術が候補となる可能性があります。また、加速勾配を70MV/m以上に高めることが可能な複数の技術も研究が進められており、これらは今後10年以内の実用化を目指しています。具体的には、CLICの2ビーム加速技術、C3冷却銅加速技術、HELEN先進超伝導RF加速技術などが挙げられます。特に、21kmのトンネルで70MV/mの加速勾配を達成すれば、この加速器は原子核の中心に迫るエネルギースケールに到達することになります。
質量中心エネルギーが250GeVの場合、この加速器は4ab⁻¹のデータを効率的に収集することが可能です。さらに、ビームの偏光を活用することで、ヒッグス結合の測定精度は、偏光を持たないコライダーで10ab⁻¹のデータを蓄積した場合に匹敵するレベルに達します。
また、この段階ではZ⁰極での2年間の運転も計画されており、FCC-eeのTeraZ計画で期待されているのと同等の精度でsin²θwの測定が可能になります。これらの測定は、2つの相互作用領域で全光度を共有する形で実施される予定です。
550GeVではさらに4ab⁻¹のデータが記録され、トップクォーク対生成のしきい値では200fb⁻¹となります。また、リニアコライダーの光度は質量中心エネルギーに比例して直線的に増加するため、1TeVまたはそれ以上のエネルギーではさらに8ab⁻¹のデータを記録することが可能です。この領域では、ヒッグス生成はWW融合が支配的となり、先に述べたヒッグス結合の独立した精密測定が行えるようになります。
トップクォークのしきい値をはるかに超える2つの異なるエネルギーで測定を行うことにより、トップクォークのカップリングを完全に調べることができます。最後に、このプログラムでは、上記の2つの相補的な反応を用いてヒッグス対生成の測定が可能となります。これらの測定はすべて、円形ヒッグスファクトリーの衝突型加速器の能力を超えるものです。
この提案は、CERNにとって非常に理にかなっています。CERNでは、どのような大規模プロジェクトでも、約5年の準備期間と約10年の建設期間が必要となります。現在から、HL-LHCの運転に予定されている最後の数年間が始まります。HL-LHCの終了後、短期間で次のプログラムを開始することで、若手科学者が新しい検出器の設計や建設に参加し、稼働中の衝突型加速器でのデータ収集と解析の経験を積むことができます。これにより、次世代の素粒子物理学者がこの分野を前進させるために必要なスキルをすべて習得できるようになります。もしこのスケジュールが大幅に遅れることになれば、私たちの将来の能力は低下することになるでしょう。
さらに遠い将来については、素粒子物理学者たちは、LHCで得られるエネルギーの10倍を超えるパートン-パートンやレプトン-レプトンの質量中心エネルギーの探索を期待しています。しかし、現時点では、この目標を妥当なコストで達成できる技術は存在していません。陽子陽子衝突型加速器は、設置面積が非常に大きいため、LHCの何倍もの費用がかかるという欠点があります。現在、ミューオン衝突型加速器やプラズマ航跡場加速器といった新しい粒子加速技術が研究されています。今後20年以内に、高エネルギー衝突型加速器の根本的な新設計が行われ、確かな道筋が示されることを期待しています。
私たちの提案は、電子衝突型加速器や加速器研究開発の分野において、このルートを奨励し、新技術のテストのためにバンチの一部を取り出す機会を提供するものです。リニアコライダー施設としての可能性には、光子コライダー技術の実証、飛躍的な輝度向上のためのエネルギー回収、e+eコライダーのエネルギーを高めるためのプラズマ航跡場「アフターバーナー」などがあります。
私たちは、この新しいリニアコライダー施設の提案が、CERNが現在慎重に検討すべきものであると強く信じています。
それは、素粒子物理学の次の大きな目標であるヒッグス粒子の精密研究の必要性に基づいており、同時にHL-LHCの結果に反応する可能性も残しています。HL-LHCの後継としてふさわしい時間スケールで建設することができます。私たちのコミュニティにとって手頃な価格であり、現在のCERNの予算と整合するように第一段階を設計することが可能であり、また予想される範囲内で資金を調達することも可能です。
世界的な支援により、このプロジェクトは、予見可能な将来に10TeVのパートンまたはレプトンの質量中心衝突型加速器を提案するために必要な、複数のルートに沿った加速器の研究開発の増加に適合することができます。また、私たちの提案自体が、素粒子物理学以外の多くの利害関係者に利益をもたらす技術革新を組み込んでいます。
この提案を詳しく説明した一連の文書が、LCビジョン・イニシアチブによって欧州戦略のために現在作成されています。ぜひご一読いただき、ここにご署名いただくことでご賛同いただけますようお願い申し上げます。著者は、石野雅也氏、ジェニー・リスト氏、中田達也氏、ローマン・ポシュル氏、エイダン・ロブソン氏、スタイナー・スタプネス氏、そしてLCビジョン・コミュニティ・ミーティングの参加者に感謝申し上げます。
執筆者：マイケル・ぺスキン博士（物理学者、米国）
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