LHC SUSY探索
Junichi Tanaka
ICEPP, UTokyo

基研研究会 素粒子物理学の進展２０１７1

ヒッグスからSUSYへ

基研研究会 素粒子物理学の進展２０１７2

LHC

3.9fb-1
2015

陽子・陽子コライダー
重心系エネルギー √s=13TeV (2015~)

9.3fb-1

35.6fb-1
2016

2017

データ解析の現状 : 2015+2016の約36fb-1のデータを用いた解析 Preliminaryな結果(EPS2017 etc)や論文

2017年も稼働しています！ ATLASの運転手は石野さん（東大ICEPP）(目標:今年だけで45fb-1)
基研研究会 素粒子物理学の進展２０１７

3

LHCでのSUSY探索（１）① Gluino & Squark(1st/2nd)– LHCはQCDマシーン  生成断面積 … 大– Higgs 125GeV  グルイーノがまだある。
– 「初志貫徹」② Stop– Higgs 125GeV– 「Naturalness」を信じるなら、分が悪くなったが…まだまだ現役。

σ=1fb~t~t

L=36fb-1で36発生成基研研究会 素粒子物理学の進展２０１７g~g~

4

LHCでのSUSY探索（２）LHCでなかなかSUSYが見えない。
 観測できないのは実験屋のせい？努力不足？
 やっぱり重い？
一方、「観測されているDM relic density(27%)DM~O(100GeV)」③ Wino & Higgsino– あくまでも「Naturalness」（Gaugino mass ~ Higgs mass）– これがLSP!  直接生成 （他のSUSYは重いから…）– 生成断面積 Wino/Higgsino LSP ~ O(10fb)@300GeV④ RPV– ここも。（東京グループは全くやっていませんが…）

基研研究会 素粒子物理学の進展２０１７

5

Typical event topology （Strong生成できたなら）
Missing Energy

Leptons

Multi-cascade decayJets

˜ 10 remains.
g~  qqe e ~10  ~0~q  q  1

Missing ETHigh pT jets
Leptons

Missing Energy

multi(+ leptons)
ET + High PT jets (+ b-jets)(+ t-jets)
6Missing ET Measurement
Hadron colliderp T 0all

p 0zall pT   pT  0
visibleinvisible

MET   pTinvisible(impossible
to know the sum of pZ)

 pT    pT  MET
invisible
Neutrinos and LSPvisible

Missing ETET

Missing transverse momentum

如何に正しい「Visible」オブジェクトを選択するか.
如何に正しく「Visible」オブジェクトをCalibrationするか.

7理想的にはこんな感じの分布が観測できれば「発見」

MET of SUSY signal is larger than the SM background.
8パイルアップの話し

H->ZZ->2e2 candidate

アトラス検出器

9PileupZ-> candidate with 25 proton-proton collisions (ATLAS)

Beamaxis“a few mm” between vertices(±10cm in z, ~15m for x,y)
1 bunch has ~1011 protons.

Number of pileup (パイルアップ数)

80mb x 2 x 1034 cm-2 s-1 / 40MHz = ~ 40 collisions/bunch crossing
Inelastic scatteringcross section(非弾性衝突の生成断面積)

InstantaneousLuminosity(瞬間ルミノシティ)

Rate of bunch crossing(LHCの1秒間でのバンチ衝突回数)10

解析におけるPileupの問題点• トリガー条件を厳しくせざるおえない。
• Hard scattering以外のContribution
 Resolutionの悪化（下の”誤り”も効く）
 本来考えなくていいJet、Tracksなどを解析に使ってしまう。
• Hard scattering自体
 使うべきものを誤ってRejectしてしまう。
（アルゴリズムを導入することは、成功率と失敗率のバランス） 11

ATLAS-CONF-2017-022

グルイーノとスクォーク生成の探索

2つの解析方法① Cut & Count• 2~6ジェット(pT>250, … 50GeV)• Large Missing ET (>250GeV)• No lepton (pT>7GeV)• Variable: meff=Σjet pT + MET② Recursive Jigsaw Reconstruction• >=1 jet (pT>50GeV)• No lepton (pT>7GeV)

基研研究会 素粒子物理学の進展２０１７

Obs=23, Fitted BG= 15.4
(BG before fit=20.3)
p0=0.07, Z=1.45

12

Recursive Jigsaw Reconstruction① Separate them into
2 groups: Va and Vbmaximizing | pVa |  | pVb | .

①ジェットを分ける。 V … n jets in an event②METを分ける。
4vec: p1, p2, …., pn-1, pn

 Vrest Vrest1. The direction of p Va (  p Vb )corresponds to the thrust axisof the jets (V) in the V rest frame.
2. similar to the operation of minimizing M ( p )i  a ,bVi

2Vi(not identical AFAIK)

VaVb

To find ISR jet(s),do the same procedureas ① in the transverse
plane including MET(as a jet).

2② minimize  M V ( pV )i  a ,bi

iincluding the missing transverse energy
and its longitudinal component.
基研研究会 素粒子物理学の進展２０１７13

Simplified model

Mass limit
ATLAS• Squark ~ 1.6TeV• Gluino ~ 2TeVCMS• Squark ~ 1.6TeV• Gluino ~ 1.85TeVATLAS-CONF-2017-022
CMS SUSY summary web

もう2TeVか…

基研研究会 素粒子物理学の進展２０１７14

g~g~生成でTopが多い場合
Njet > 4jets
うち、b-jetが3本以上
Large Missing ET (>200GeV)
分類方法• Low meff ~ low Δm• High meff ~ high Δm  boosted top≧1lepton0lepton

Z~1.7

Z~2.2
Z~1.7

Z~1.7
2300

1600~1800

800~900

2300~2400

1400~1800

800~900

基研研究会 素粒子物理学の進展２０１７15

ATLAS-CONF-2017-021
CMS SUSY summary web

Multi-topの結果

CMSもバイアスした目でみると気持ちあるけど…
(gqqChiで発見後のモデル検証)

Z~1.7?

基研研究会 素粒子物理学の進展２０１７16

Scalar top生成
Naturalness  stop < 1TeV

基研研究会 素粒子物理学の進展２０１７17

ATLAS-CONF-2017-037

Scalar top解析
~10 , ~20 , ~30 , ~40 

O(10GeV)bb

WZ/h~ ~ ~ ~B 0 , W 0 , H10 , H 20~ ~~  , ~   W  , H 
1Δm=O(100MeV)~10GeV

2Δm=~30GeV(soft lepton)

Pure bino LSPだけでなく、• Wino NLSP
• Higgsino LSP• Bino/Higgsino mixed LSP• DM
も検証できる探索

1 lepton解析では、16個の信号領域を定義して評価。
Soft lepton : 4GeV for muon,
5GeV for electron

基研研究会 素粒子物理学の進展２０１７18

ATLAS-CONF-2017-037

Stop結果(1lep)
現データでは「stop  top chi0を狙った信号領域で約1.5σ」が最大1.4σ
1.6σ

前回3.3σあった信号領域(DMサーチ領域)は今回1.5σとなり、成長しなかった…
基研研究会 素粒子物理学の進展２０１７19

ATLAS-CONF-2017-037

Stop探索: Bino LSP

4-body370GeV

3-body2-body500GeV

940GeV
基研研究会 素粒子物理学の進展２０１７20

ATLAS-CONF-2017-037

Stop探索: Higgsino LSP~t1  t~20 , ~20  Z (*) ~10~t  b~  , ~   W (*) ~ 01

111Z*/W*  Soft pT lepton

基研研究会 素粒子物理学の進展２０１７21

ATLAS SUSY summary web
CMS SUSY summary web

Stop探索: ATLAS vs CMS

1TeVに軽い超過(1-2σ)

基研研究会 素粒子物理学の進展２０１７

22

ATLAS-CONF-2017-039

Electroweak SUSY

2レプトン

3レプトン

網羅的な探索(ATLAS-CONF-2017-039)
ただし、肝心のW*/Z*弱い  現在進行中
pT>25/20GeVのlepton (electron or muon)
1) 2lep+0jets, 2) 2lep+jets, 3) 3lep
Zボソンを期待する場合はmll~mZ（slepton狙いのときは、low and high mllも）
基研研究会 素粒子物理学の進展２０１７

23

ATLAS-CONF-2017-039

3lep+0jets解析
81.2<mll<101.2, MET>60GeV, njet=0, mTmin>110GeV

21(BG21.7)

1(BG2.7)

基研研究会 素粒子物理学の進展２０１７2(BG1.6)

24

ATLAS-CONF-2017-0393lep+≧1jets解析

4(BG1.3)

基研研究会 素粒子物理学の進展２０１７25

ATLAS-CONF-2017-039

Mass Limit (3lep via W/Z)

380GeV
基研研究会 素粒子物理学の進展２０１７26

ATLAS SUSY summary web
CMS SUSY summary web

EW “lep via slep”: ATLAS vs CMS

Slepton経由の場合、1TeV程度のリミットがかかっている。
基研研究会 素粒子物理学の進展２０１７27

ATLAS SUSY summary web
CMS SUSY summary web

EW “lep via W/Z/h”: ATLAS vs CMS
W/Z/h経由なら、まだまだ。
特に「縮退」している場合は、これからが本番

縮退領域のための解析手法の開発（Softなオブジェクトなど）
基研研究会 素粒子物理学の進展２０１７28

CMS-PAS-SUS-17-004CMS EW SUSY Search~ ~0 ~0

GMSB NLSP=Higgsino (縮退): 1 ,  2 , 1

~20  ~10  X soft
~1  ~10  X soft

>0Similar event topology~1GeV
 実験的には無視

基研研究会 素粒子物理学の進展２０１７

Up to 650-750GeV29

ATLAS-CONF-2017-017

Wino LSP (degenerated)
Ex) AMSB
チャージーノは縮退しているため、比較的長寿命(0.2ns)

電荷をもつチャージーノはトラッキング検出器で検出可能
ただし、途中で崩壊してニュートラリーノになるため、検出できなくなる。
（Soft charged pionもlow pTのため（今のところ）検出できない。）
 トラッキング検出器の中で、途中で消えたような荷電粒子を探す。
基研研究会 素粒子物理学の進展２０１７30

ATLAS-CONF-2017-017

トラッキングの改善とBG
バッググラウンドの一例“Hadron interaction”

Charged pionが検出器（物質）と相互作用して、Charged pionsやNeutral pionsを生成する。

Run2で改善した部分
ATLASはRun1後の停止期間中に、Pixel検出器を1層追加しました！合計4層！

基研研究会 素粒子物理学の進展２０１７31

ATLAS-CONF-2017-017

pT分布と結果430GeV for 0.2ns lifetime
基研研究会 素粒子物理学の進展２０１７32

ATLAS-CONF-2017-060

High pT jets (>250GeV)
Large MET (>250GeV)

DM searchstopで結果を解釈

SUSYでも縮退して、HardなISRが付く場合、上のDMサーチと同じトポロジー

m(stop)-m(chi0)~m(bottom)の場合
 390GeV

基研研究会 素粒子物理学の進展２０１７33

今後のSUSY探索•(東京グループの方針)

グルイーノ生成過程の探索––––•

EW生成過程の探索––––•「初志貫徹」
LHCのリーチ内にあれば、これが最強解析の改善: q/g separation
LSPと縮退している積極的な理由ありますか？

ダークマターはある。 O(100GeV)の可能性大LSP=DM  EW SUSY direct production
縮退している可能性大  LHCではこれからが本番
解析の改善: Soft lepton (or soft track)  low pT
Disappearing track  使うPixel数を減らしてもっと短い寿命。Slow pion ID

Stop生成過程の探索– ナチュラルネスからは遠くなっていますが、実験屋は(>)1TeVでも受け入れます！
– 解析の改善: Track jets for b-tagging (top由来のHigh pTジェット ATL-PHYS-PUB-2014-013)
Boosted hadronic decay top tagging (Wqqもそうですが)基研研究会 素粒子物理学の進展２０１７34

LHC ScheduleToday

 Plan this project until ~2037

120fb-1

LHC
Run2 (2015-2018) : ~120fb-1
Run3 (2021-2023) : ~300fb-1
HL-LHC (2027-2037) : ~3000fb-1

HL-LHC (High Luminosity LHC)（CERNでは正式に承認@2014）日本も前進：文科省ロードマップ2017に採択

Energyを徐々に上げようか、という話もあります。たとえば16TeVに。

35

Run3とHL-LHCの感度

2σ(95%CL)

300fb-1 (2023年)• Gluino ~ 2.4TeV• Stop ~ 1.2TeV• Wino ~ 550GeV
3000fb-1 (2037年)• Gluino ~ 2.9TeV• Stop ~ 1.45TeV
基研研究会 素粒子物理学の進展２０１７ATL-PHYS-PUB-2014-010
ATL-PHYS-PUB-2013-011

36チェス、将棋、囲碁などを見ていると…計算機の方が賢い？

Tensor Processing Unit (Google)

これ1枚に負けました。
（＋大量学習）Machine Learning (機械学習), Deep Learning (深層学習), AI (人工知能)
基研研究会 素粒子物理学の進展２０１７37超伝導磁石LHC = 「超伝導線材 NbTi」

 16T実現のための線材 Nb3Sn
まだまだ技術的な問題が残っている.
NbTi

Nb3Sn

相転移温度

10K

18K

臨界磁場(Hc)
@4.2K

~12T

~25T

超低温 1.9K（CMB 2.7K）
8.3Tの強力な超伝導dipole magnet
この磁石の強さがLHCのエネルギーを決めている(15m x 1232台 = 18.5km)(実際は6.5TeVなので、7.7Tです。)
27kmという巨大なシステムで安定に超伝導状態を維持できなければならない.

大きな磁場を得るためには、大電流が必要（だからこそ超伝導）
しかし、臨界磁場より大きな磁場が線材にかかると、超伝導が破れる.

基研研究会 素粒子物理学の進展２０１７

鉄系超電導体（細野さん＠東工大）
 56K, 50T可能？
38

CERNが中心となって、Future Circular Collider (FCC)建設に向けた基礎研究が始まっている。
 FCC MoUはすでに33か国、116機関で締結
 2018年秋にCDR(Conceptual Design Report)出版予定
 FCC week@ベルリンの参加者は約500人（我々の業界では最大級の国際会議並み）

FCC-hh(陽子・陽子コライダー)は、High-Energy
LHC (HE-LHC)も含む。

基研研究会 素粒子物理学の進展２０１７

39

Conclusion
SUSY今のところありませんが、データ出る限り諦めません。
• （データを増やす）• 解析手法の改善• 新しい手法の導入– ある程度事象選択するとSignalとBGはかなり似てくる。（当然と言えば当然ですが） MLをもっと積極的に

 Run2(100-120fb-1)にSUSYの証拠を！

•是非、アイデアをください。
– 解析の改善や新手法：まだ使っていない情報• 縮退している場合のSoft trackは検証中– 面白いモデル、期待できるモデル

基研研究会 素粒子物理学の進展２０１７40

リファレンス•ATLAS SUSY Summary web– https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/AtlasPublic/SupersymmetryPublicResults– https://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/PHYSICS/CombinedSummaryPlots/SUSY/•CMS SUSY Summary web– https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/CMSPublic/PhysicsResultsSUS

基研研究会 素粒子物理学の進展２０１７41

バックアップ

基研研究会 素粒子物理学の進展２０１７42

Squark (simplified model)

基研研究会 素粒子物理学の進展２０１７43

Stop (Wino NLSP)

基研研究会 素粒子物理学の進展２０１７44

Stop (Bino/Higgsino mix LSP)

基研研究会 素粒子物理学の進展２０１７45