66■ 研究紹介との運転状況とヒッグス粒子探索
高エネルギー加速器研究機構

素粒子原子核研究所

徳宿 克夫

年（平成の運転状況

年） 月日

ここでは衝突するバンチの数，はぞれぞれのバンチ内の陽子数， は周回周波数，加速器は完成直後に液体ヘリウムの大量流出という大事故を起こしたが，そこから復帰して最初のは規格化したエミッタンス，のベータ関数，の周長と光速で決まっている。最周回周波数は

図 は，各年のルミノシティの積算状況を示したもので終的にはバンチ間隔はある

年まではで，年と年は年は重心系エネルギーで運転している。の目標は年間年のであったが，それを大きく上回る約に到達した。

は有限交差角などからくるそのほかの因子である。

衝突に成功してからは，ほぼ順調に性能を上げてきた。
。

は衝突点で間隔で詰めているので，最大で約ンチになる。図

バの変遷から明らかなように，月までは，のにするが，とりあえず年加速器の調整もかねてバンチの数

年は， 月のメインテナンス期を徐々に増やしていき，それとともにルミノシティが上までで，すでに昨年を超えるデータが集まった。 月末

がっていった。しかしその後もルミノシティはどんどんを超えており，現在で，月までには改善していった。これは，前段加速器を含む全体の性能が優れていて，ビームエミッタンスが設計値よりよかったことと，バンチあたりの陽子数を設計値より上げられ2018 ATLAS Online Luminosity
1614もに12108からに，そして今年はさら

2000
1800
1600

s = 7 TeV

s = 7 TeV

ATLAS
Online Luminositys = 8 TeV

1400
1200
800

4600

2200

400
0JanJulOctMonth in Year年の各年の積分ルミノシティの移り年は全体でであり， 軸にほぼ重なってプロットされている。

Peak Luminosity [10−8OctJanJulAprOctJanApr

Month in 2011

JulOctMonth in 2012

s = 7 TeV

s = 7 TeV

ATLAS
Online Luminositys = 8 TeV

765432Jan

AprJulOctMonth in 2010

図，

90

く見るために，ルミノシティが何で決まるかを復習してはJul

101

このような順調な加速器の立ち上がりをもう少し詳しみよう。ルミノシティ

Apr

Month in 2010

33

Aprcm-2 s-1]

0Jan変わり。

年にまで小さくできた。

10006図個），が大きい。さらにたこと（2010 pp s = 7 TeV
2011 pp s = 7 TeV
2012 pp s = 8 TeVColliding Bunches

Delivered Luminosity [fb-1]に迫ると期待される。

JanAprJulOctJanMonth in 2011

AprJulOctMonth in 2012

過去 年間の陽子バンチ数の変移（上図）とルミノシティの変移（下図）。

67に対し，現在のになる。このビームが間違ってビームパイプや，超伝導が半分であるこ磁石などに当たれば大事故につながるので，ビームが不とを考えると，バンチあたりでは既に凌駕している。エ

安定になった場合は，速やかにビームをダンプするシス

設計値ルミノシティのである。

最大はも小さくできるので，ネルギーとともに年以降が出現すると，ビームがテムが構築されている。のフルエネルギーの運転では，設計値の 倍程度のルミ不安定ということでダンプされてしまい，実験時間がどノシティが出るのではないかといわれている。

んどん減ってしまう。ビームダンプの閾値を適切にするの運転は， つの実験が，場合によっては互いに相容れない要求を満たすために複雑である。ルミノシとティだけをとっても，実験はとにかくできるだけ（しかも，相手より最低でも同じだけの）高実験はいルミノシティを要求するが，中間子のことによって影響を少なくしたのと，運転と共に徐々にの出現が減る傾向があるので，現在のではあるが運転では目立たなくなっている。しかし，の改造後年からは，ビームエネルギーが上がりバンチ数も増えるので，ビームダンプの条件も厳しく設定する必の頻度によっては積分ルミノシティを同定を安定して行うために常に一定のルミノシティがほ要があり，しい（図 ）。

稼ぐ上で大きな問題になる可能性がある。原因の究明と実験はプを嫌うため，内で事象のパイルアッなどより分の 低いルミノシティを要求する。さらに，陽子陽子の全断面積を測実験のためには，定するの大きな特別な運対策が待たれる。
ビームダンプに関して余話をもう一つ。前段のように，ビームが不安定になった時に必ずビームをダンプするた転が必要になる。これらをほぼ満たしながら， 月の時めに何重ものプロテクションがかけられているが，点までにほぼ予定通りの積分ルミノシティを年 月実験に与えてくれたことに関して，と加速器の日に一つ穴が見つかった。あるモニター関連の電源がショートした場合トリガー同期システムのに，ビームダンプ信号がきちんと伝わらなくなることがグループにとても感謝している。

判明した。電源の異常は感知できるがその情報がビームダンプに反映されていなかった。その時点で異常があっクルーは即座に貯蔵していたたわけではないが，ビームをダンプし，この欠点を直した上で運転を再開した。雷が多いシーズンを前にした周到な判断だが，この

図年 月 日からの 週間のルミノシティ移り変わり。とようなことからも，如何にのビーム強度が脅威であり，が気を使っているかがの運転の上でわかると思う。のプロットは互いに重なっていて識別できないが，ルミノシティは実験の運転状況を超えて始まり，時間とともに低くなっていく。一方で実験のルミノシティは下の方の平らになっている

順調なの運転とともに，線で，バンチあたりの陽子陽子衝突数が常に 程度になデータを集めた。 月日時点で，るように，ルミノシティがで，に保たれている。

このようには順調に運転が進んでいるが，懸念材料も何点かある。トンネル内の放射線量が上がってきによるエラーがていて，制御回路に起こることもわかり，クリティカルな回路を遠方に移動した。一番の懸念はの出現である。の略で，突如のビームロスがリングのどこかで発生する。何かが陽子ビームの軌道に落ちてきていると思われて，この名前が付けられた。 つのコンポーネントがあり，一つはへのビーム入射時にキッカー磁石の近辺でよく出現しており，キッカーの動作と関連していると考えられるが，もう一つのコンポーネントは時間的にも場所的にもランダムに起こっているように見える。の貯蔵されているビームのエネルギーはすでにをこえ，最終的には実験も着実にが供給したが記録したのがであることからも，かなりのいい効率でデータが取れていることがわかる。のバンチあたりのルミノシティが設計値を超えているということは，バンチの一交差で起こる陽子・陽子衝突の数がの設計で念頭においたものより多くなっているということを意味する。図は，バンチ交差あたりに起こる陽子・陽子の衝突数（ ）を表すプロットである。ルミノシティの上がった均で年には平の衝突があり，最近のピークルミノシティでは近くになっている。ちなみに，この図は，実際に衝突の数を測定して作っているのではなく，測定したバンチあたりのルミノシティに陽子・陽子非弾性散乱の断面積（だとをかけて出しているが，実際に飛跡検出器で測定したバーテックスの数とよい相関がみ80

Average Stream Rate [kHz]Recorded Luminosity [pb-1/0.1]

68

ATLAS Online Luminosity

70∫s = 7 TeV, ∫ Ldt = 5.2 fb-1, <μ> = 9.1

s = 8 TeV, Ldt = 6.3 fb-1, <μ> = 19.5

60
504030201
ATLAS Trigger Operations (2012)
Bphysics (Delayed)
MinBiasHadron (Delayed)
Muons
Jet/Tau/Etmiss
Egamma0.90.80.70.60.50.40.3
0.2

100.1

00510152025303504008/04

22/04

06/05

20/05

Mean Number of Interactions per Crossing

図

年および年に収集したデータにおける，一回のバンチ交差に起きる陽子・陽子衝突の個数（ ）の分布

Date

図

年のデータ収集での各トリガーオブジェクト毎のデータ書き込みレートの遷移。

。
トリガー（られている。

，トリガー，トリガーが，レートをほぼ三分しているのがわかる。

年ぐらい前に建てたの戦略では，最初の 年

このようにして取り込んだデータは，世界中に散ら程度のクリーンなばったグリッドコンピュータ上で再構成され，物理解析環境でヒッグス粒子の発見をめざし，そのあとで設計値に使われる。実データとともにモンテカルロデータの間はルミノシティを低く抑え，のルミノシティ（）に上げてデータを稼ぐという全体では世界中で約生成と解析も含めると，議論であったのに対し，いきなり，大きなパイルアップのコンピュータセンターで，常にの状況で始めることになってしまった。

走っている。

万以上のジョブが実験の成功の大きな要因の一つが，この探索の上では，この環境は厳しいものである。のグリッドコンピューティングがうまく動いたというの崩壊して出てくる粒子が全部同じ衝突点から来ているこことであるといえる。これがなければ， 月中旬までにのような飛とを確認する必要があり，これは跡のないチャンネルでも同様である。ほかの衝突から出取ったデータを使って月日に（とはいえ）結果を出せなかっただろう。てくる粒子が重なってしまうので，その補正をしっかり行う必要がある。消失横運動量など，事象全体から計算する物理量が一番影響を受け，探索のエネルギーの補正も大きい。しかし，電子など，カロリメータ上で比較的コンパクトなものでも補正なしではすまされない。詳細は省くが，補正後， の崩壊からくる電子のエネルギーでモニターして，期間内にのエネルギー測定の安定度を達成できている。
ルミノシティの増加と共に，大変なのがトリガーとデータプロセスのグループである。データを書き込めるだけ取り込んでしまうと，オフラインでの事象再構
成も多くの時間がかかってしまい，解析が間に合わなくなる。

年はのルミノシティを想定して，最終的に取り込むデータ量をること，ただし，来年から程度とす

年間ほぼ新しいデータが取れないことを考慮して，緊急性のないデータサンプルはさらに分程度取り込んでおき，これは来年以降に再構成・物理解析を行おうとしている。日々のトリガーレートを各物理対象ごとに分けたものを図す。に示と書かれている分が後者にあたる。主要トリガーでは，ヒッグス粒子探索でも鍵となる，光子・電子次からの記事で各崩壊モードでのヒッグス粒子探索の話がはじまるので，最後にこの章で，でのヒッグス粒子生成に関して，簡単にまとめておく。には

ヒッグス機構はボソンに質量を与える仕組みであるからこれらの粒子と強く結合する。またフェルミオンへの分岐では重い粒子ほど結合が強くなる。一方陽子の中はほとんどが軽いクォークとグルーオンからできている。この結果陽子・陽子衝突でヒッグス粒子の生成に一番効く過程は，グルーオンとグルーオンがぶつかって，（重い）クォークのループが回りそこからヒッグス粒子ができるという，グルーオン融合過程になる。その約一桁落ちで，各陽子のクォークからボソンが出てそれが融合する，ベクターボソン融合過程（が効く。図 が標準理論でのヒッグス粒子の生成断面積の予想値である。グルーオン融，，および，ベク合過程

ターボソンとの随伴生成の予想値が書かれている。線の太さは摂動計算の高次の効果などの理論的な不定性と陽1pp →pp→pp→
ZH

HO10-1(NO QCNLOQC

QC

D+NLO

LO

QCNLOEW)

D+NEW)

s = 7TeVSM1WW → l± νqq+10-1+-ZZ → l l qqEW)+-ZZ → l l ννD)+- +-ZZ → l l l l10-210-2200100

図-WW → l νl νW)+NLO

10LO E(NDttH(NNLW(NNLpp→qqH

s= 7 TeVLHC HIGGS XS WG 2011

10H (NNLO+NNLL Q
CD+σ × BR [pb]pp →LHC HIGGS XS WG 2010

σ(pp → H+X) [pb]

69

300

400 500

ヒッグス粒子の質量と陽子・陽子衝突での生成断面積の関係。重心系エネルギーがの場合

ZH → l l bb
γγ
l = e, μ
VBF H → τ+τν = νe,νμ,ντ
WH → l± νbb
q = udscb

10-31000
MH [GeV]10-4 100。

H → τ+τ-+-150

200250MH [GeV]

子内のクォーク・グルーオンの分布（の不定性を含んだ範囲を示す。図に示しているようにすでにまで理論計算が進んでいる。
このような理論の進歩と，陽子内の（の測定の進でのヒッグス粒子探索に大きな貢献をして歩も，いる。

とにかくヒッグス粒子の崩壊物のみを使って探索を行う場合は，グルーオン融合過程が効く。ただし，一般にバックグラウンドとなる反応が非常に多いので，信号が埋もれてしまいがちである。一方過程で生成される場合は，ヒッグスからの生成物のほかにも特徴的な信号がでる。一つはベクターボソンを出して反跳したクォークが，高い横運動量を持ってそれぞれの陽子の進行方向に出てくるため，高い領域 それぞれにジェットが出る点，もう一つはヒッグス粒子はやボソンの融合から生成されるため，ヒッグス粒子の作られる低い各崩壊モードで見た場合の見かけのヒッグス粒子で作られるヒッグス粒子のほうが高い横運動量を持ちやすい。このようなの特徴を使うことによって，バックグラウンド事象を減らしてを上げることができる。ただし，シグナルも大きく減らしてしまうので，ルミノシティが少ない初期の探索ではかえって感度を下げることにもなりうる。以下の記事でみるように，解析ではこの辺のバランスを取りながら進めている。
図 は，ヒッグス粒子の生成断面積にそれぞれのモードの崩壊比をかけた値が，ヒッグス粒子の質量と共にどう変わるかを示している。ヒッグス粒子が崩壊してできやボソンがさらに崩壊するので，それも加味した図である。また，で生成した場合も分けて書いてある。きれいなのは崩壊粒子を全部捕まえて，親の質はで方向）に行くほど大きな絶対値をとる。

前方（陽子の進行。の生成断面積量を再構成できる場合で，崩壊である。

はニュートリノがつ出てしまうので質量の再構成はできないが つのレプトンと消失横運動量というきれいな信号になるのと，比較的分岐比が高い。これらの つの崩壊モードがヒッグ
ス粒子発見でもっとも重要になってくるモードである。
近辺の場合は，これらヒッグス粒子の質量がの崩壊モードすべてに感度があるので，多角的な探索ができる。
さらに，ヒッグス粒子がフェルミオンと結合することや，をきちんと示すためには崩壊を見ることが重要になる。

領域には余計なジェットが出にくいことである。また，一般的にる図

年 月中旬のでで，加速器スタディが始まる前まの運転で約とでき，る国際会議た。 月のデータを集めることがの両実験はメルボルンで開かれで暫定結果を発表することにしてい日に開かれた理事会で各メンバー国の代表から，会議で発表する前にセミナーを開いてでまず結果を発表すべきであるという意見が続出した。

所長は 月 日にはオーストラリアにいる予定にしていた一方で，実験グループは 月 日に会議で発表するという予定でグループ内の承認スケジュールを決めており，それほど前倒しての発表はできない。
やはり所長は超音速ジェットを持つべきだという冗談もでていたが，結局所長（と実験グループ代表）は予定を変更し， 月日午前にでセミナーを行うこととなった。同時に同日夕方になっているメルボルンのつなぎ，の会場と双方向ネットワークで参加者とも情報を共有できるようにし70た。その結果は日本のテレビ・新聞でもトップで伝える内容となった。その内容は次からの つの記事で詳しく説明される。

参考文献
近藤敬比古 「加速器の現状との将来計画」
高エネルギーニュース
これらのルミノシティに関するプロットはの上で常にアップデートされており最新の情報を得ることができる

最新情報，特に重心系エネルギー
どは，のページを参照のこと：

場合の図な