10■ 研究紹介LHC 最新の研究成果 IV
東京大学素粒子物理国際研究センター

増渕 達也
Tatsuya.Masubuchi@cern.ch
中村 浩二
Koji.Nakamura@cern.ch
2012 年 (平成 24 年) 5 月 10 日

はじめに
今回は, LHC の最新結果を掲載するシリーズの第４弾目となる [1, 2, 3]。LHC では, 標準模型の検証や精密測定から, ヒッグス粒子をはじめ超対称性粒子探索やほかの標準模型を超える新粒子探索など, 多岐に渡る物理が研究されている。ご存知の読者も多いかもしれないが,昨年 12 月にヒッグス粒子探索の最新結果が CERN で報告された。2011 年, LHC の物理結果の中でもっとも世間を賑わせたと言っても過言でない興味深い結果が観測された。

2011 年に取得された約 5 fb−1 を使った多くの物理結果が, 2012 年冬の国際会議で報告されている。この紙面
上ではとてもすべてを網羅することが出来ないので, 今
もっともホットであるヒッグス粒子探索の最新結果を中心に, 筆者の独断と偏見でいくつかのトピックを出来る

影響は消失横エネルギーの分解能を大きく低下させる。

ATLAS ではこの効果をシミュレートするために 2011 年の陽子-陽子衝突実験が終わると同時にデータを解析し,モンテカルロシミュレーション (MC) に 2011 年の多重衝突事象を導入するというプロジェクトが年末に進行していた。これにより, 2011 年のデータにより近い検出器の状態と多重衝突事象がシミュレートされた MC を使
い, データ解析を行うことが出来るようになった。
Recorded Luminosity [pb-1 ]1

限り紹介する。

104
103

-1

10
1
10-1
10-2
10-3

は, ATLAS の公式ページで公開されているので興味の0ある方はそちらも参考にしてもらいたい [4]。

2011 年のデータ∫ Ldt=5.2 fb

β * = 1.0 m, <µ> = 11.6
β * = 1.5 m, <µ> = 6.3

102

また, ここで紹介できなかった, たくさんの物理結果

2

ATLAS Online 2011, s=7 TeV

2

4

6

8

10 12 14 16 18 20 22 24

Mean Number of Interactions per Crossing

図 1: 2011 年前半のデータと後半のデータで 1 回の衝突に対する平均の反応回数の違い。

2011 年の陽子-陽子衝突実験は 2011 年 3 月 30 日
から 10 月 30 日まで行われ, ピークルミノシティは
3.7 × 1033 cm−2 s−1 に到達した。当初の予想を超えた
5.25 fb−1 の積分ルミノシティが記録された。ATLAS 検

3標準模型の検証

出器も 2011 年を通じて高いデータ取得効率を保つこと

3.1

W/Z ボソン対生成過程の物理が出来, 各検出器も 95 %以上という高い稼働率でデータを取得することが出来た。
しかし, 図 1 で示すように 9 月以降ビームの絞りを表すパラメーターである β ∗ が改善され, 多重衝突の確率が大きく増加した。2011 年後半のランでは平均 11.6
個の多重衝突事象 (パイルアップ) が観測された。この標準模型で予言される生成過程の中で比較的生成断面積が小さい W/Z ボソン対生成過程も 2011 年の高統計のデータで精密測定が行われている。W W , W Z 過程では W W Z, W W γ トリプルゲージカップリングの精密測定から標準模型の検証, または標準模型を超える新物理11も探索されている。ZZ 過程では, 標準模型で禁止され析も行われている [13]。このモードは荷電ヒッグスの探ている ZZZ, ZZγ カップリングから新物理を探すこと

索にも感度があり, 精密測定から標準模型を破るようなも鋭意行われている。また, これらの過程は後述のヒッ観測結果も今後期待できる。一つのトップクォークが生

グス粒子探索や新粒子探索の中で重要な背景事象になる成されるようなシングルトップ事象も精力的に性質が調ので, 生成断面積の精密測定も重要なトピックである。

べられている [14]。

2011 年の約 5 fb−1 のデータを使い, W W → `ν`ν[5],9ZZ → 4`[6], ZZ → ``νν[7] チャンネルを用いて生成断面積が測定されており, 標準模型で予言された値とよい

ATLAS(Date: February 23, 2012)

e+jets (1d)172.9 ± 1.5 ± 2.5µ+jets (1d)175.5 ± 1.1 ± 2.6

成断面積と理論値の比較を表している。これらの過程に

e+jets (2d)174.3 ± 0.8 ± 2.3

おける異常トリプルゲージカップリングの探索も進めらµ+jets (2d)175.0 ± 0.7 ± 2.6

l+jets

174.5 ± 0.6 ± 2.3

Most precise (CDF l+jets)

173.0 ± 0.7 ± 1.1

Tevatron September 2011173.2 ± 0.6 ± 0.8一致を見ている。図 2 はそれぞれの生成過程における生σtotal [pb]

れており進展が興味深い。
105

ATLAS Preliminary

-1

35 pb

∫ L dt = 0.035 - 4.7 fb-1-1

35 pb-1

4

10TheoryData 2010
Data 2011

3

10

102

1.0 fb-1
0.7 fb-1

10

4.7 fb-1

tt

t

WW

0.5
160

165

170

175

180

185

190

mtop [GeV]の質量測定結果とテバトロンの比較。図の 1d,2d は測定

1.0 fbZ(syst)

0.0 ± 0.0 ± 0.0

図 3: レプトン+ジェット事象を用いたトップクォーク

4.7 fb-1-1W(stat)

s = 7 TeV

WZ

ZZ

図 2: 標準模型で予想される生成断面積と ATLAS 実験で観測された生成断面積の比較。

手法の違いを表している。
ここではトップクォーク対におけるスピン相関の測定を少し詳しく述べる。トップクォークはその質量が重く、強い相互作用の時間スケールより桁違いに寿命が短いためハドロン化の前に崩壊する。そのため, 生成されたトップクォークのスピン情報は崩壊生成物に直接伝達され,

3.2

トップクォークの物理

LHC はトップクォークファクトリーと言ってもいいほどトップクォークが多く生成される。トップクォーク
対生成事象の生成断面積が約 170 pb なので 2011 年に約 90 万事象が LHC で生成されたことになる。トップ
クォークの性質は, 生成過程から崩壊過程まで多岐にわたり研究され, 精密測定が行われている。また, 高統計のトップクォーク事象を用いて b ジェット同定効率の較正にも使われはじめている。
図 3 で示すようにトップクォークの質量測定では, すでに統計誤差が系統誤差よりも小さくなっており, おもな系
統誤差であるジェットのエネルギースケールや ISR/FSRの不定性を低減出来るかが今後の課題である [8]。トッ
プクォーク対生成事象の生成断面積は終状態のレプトンの数に応じた様々なチャンネルで測定されており, 測定
誤差は理論で計算されている不定性 [9] よりもよい精度で測定されている [10, 11, 12]。LHC が始まってわずか２年でこのような精密測定が可能になっていることは驚きである。また, 終状態に τ レプトンを含むモードの解

トップクォーク対生成のスピン相関が観測可能である。
また, 多数の標準模型を超えたシナリオとして重いスカ
ラーボソンを介してトップクォーク対が生成された場合
や, トップクォークの崩壊が荷電ヒッグスボソンを介して崩壊した場合に, スピン相関が標準模型とずれる可能性も指摘されている。D0 実験では, トップクォーク対生
成のスピン相関を 3.1 σ の有意度で観測している [15]。
この解析は, トップクォーク対から崩壊した両方の W
ボソンがレプトンに崩壊するチャンネルを用いる。生成された荷電レプトン対は相関を持ち, 実験室系で二つの荷電レプトンの方位角の差 ∆φ でトップクォーク対のスピン相関を観測することが可能である。図 4 は観測された ∆φ
分布を表している。標準模型で予想される ∆φ 分布 (係数 f SM ) とスピン相関がないときの分布 (係数 1 − f SM )を線形結合で重ね合わせた分布をデータでフィットする

ことによって f SM = 1.30 ± 0.14(stat) を得た。相関度+0.08に焼き直すと、Ahelicity = 0.40 ± 0.04(stat)−0.07(syst)

は標準模型で予言される 0.31 と無矛盾であり, トップ
クォーク対生成におけるスピン相関を 5.1 σ の有意度で観測出来た [16]。

を決めている。また, ATLAS では電磁カロリメータが
900
800
700
600

data
t t (SM)t t (uncorrelated)single top
Z/ γ *+jets
dibosonfake leptons

ATLAS∫ Ldt = 2.1 fb-1は, 電磁カロリメータの奥行き方向の広がりから衝突点の方向に外挿する。このアルゴリズムのため 2011 年のパイルアップでは質量ピークの分解能の低下は見られず
安定していた。

500

図 5 は二つの光子から再構成された普遍質量分布を表している。背景事象は関数フィットで見積もられている。

400

もし, ヒッグス粒子が存在するならばこのスムーズな背300

景事象の分布の上にヒッグス粒子の質量ピークを観測で200きる。非常に興味深いことに 126 GeV 付近にデータの

100
0
0

三層あるために, コンバージョンを起こさなかった光子

超過が見られる。
0.5

1

1.5

2

2.5

3
∆φ

図 4: 再構成された二つの荷電レプトンの ∆φ 分布。実線は標準模型で予言される分布を表しており, 点線は相関がない場合の分布。

Events / 1 GeVEvents

12

700
600

100

かの実験の結果も考慮すると, ヒッグス粒子の存在範囲
は 114.4 GeV から 141 GeV、もしくは 476 GeV 以上の高い領域に絞られたことになる。夏以降, 更なるデータ
量と解析の改善を加え, ヒッグス粒子発見感度の改善がなされている。
ここでは 2011 年の約 5 fb−1 のデータを使った最新の結果を, 低い質量領域 (mH < 150 GeV) に焦点を当ててそれぞれのチャンネルの特徴と観測結果を出来る限り詳しく述べる。すべてのチャンネルがここで網羅できないのはご容赦願いたい。

4.1

光子対に崩壊するチャンネル

このチャンネルは, 二つの光子を再構成することでヒッグス粒子の鋭い質量ピークが観測可能である。二つの光子の質量分解能がヒッグス粒子探索の鍵となる。質量分解能の向上のためには光子のエネルギー補正とともに, 崩壊点を同定し光子の方向を正確に決めることも重要である。ATLAS 検出器は物質量が多いため, 光子の60 %は電磁カロリメータに到達する前にコンバージョン
を起こし電子対に崩壊する。このような事象には電子の飛跡の情報を用いてコンバージョンをした点を同定し,その点からビーム軸に外挿することによって光子の方向

Data - Bkg modelである。その発見は, 標準模型の完成とともに電弱対称

476 GeV までのヒッグス粒子の存在を棄却した [17]。ほ∫ Ldt = 4.9 fb

-1

300
200

の最重要課題である。2011 年夏の結果で, 141 GeV から

s = 7 TeV,

400

ヒッグス粒子発見は, LHC 実験の大きな目的の一つ
性の破れの解明や, 質量起源の解明に迫る, 現代物理学

Inclusive diphoton sample
Data 2011
Background model
SM Higgs boson mH = 120 GeV (MC)500

ヒッグス粒子探索

4

800

0
100
100
50
0
-50
-100
100

ATLAS Preliminary
110

120

130

140

150

160

mγ γ [GeV]

110

120

130

140

150

160

mγ γ [GeV]

図 5: 二つの光子から再構成された普遍質量分布。
また, コンバージョンを起こしたか否か, そして物質量の違いから光子が中央領域, 前方領域に観測されたかどうかで質量の分解能が違う。もっとも分解能がよい二つの光子がコンバージョンを起こさずに中央領域に飛んだ場合は 1.4 GeV であり、少なくとも一つの光子コンバージョンを前方領域 (0.75 > |η|) で起こした場合は2.0 GeV である。この違いと 2 光子の推力軸と直行した
軸 (pT t ) の大きさでカテゴリーを 9 つに分類することにより, 質量分解能がよい領域と背景事象に対する信号の割合が高い領域を抜き出し, 発見感度を向上させた。
図 6 に 95%信頼度での標準模型に対する上限値を示す。126.5 GeV にもっとも大きな背景事象からの超過が見られ、統計的有意度は 2.8 σ であった [18]。まだ兆候といえるほどではないが, とても興味深く更なるデータの蓄積でこの超過が統計のふらつきから来るものなのか,
ヒッグス粒子の信号なのか, がはっきりしてくる。2012年のデータを用いた解析結果が楽しみである。

8

Events/5 GeV

95% CL limit on σ/σSM

13

Observed CLs limit
Expected CLs limit
H → γγATLAS± 1σData 2011, s = 7 TeV
± 2σ

7
6

∫

5
4

10

-1

Ldt = 4.9 fb

8

H

(*)

6

3

H→ZZ →4l-1∫Ldt = 4.8 fb
s = 7 TeV

4

2
1
110

DATA
ATLAS Preliminary
Background
Signal (m =125 GeV)
H
Signal (m =150 GeV)
H
Signal (m =190 GeV)

115

120

125

130

135

140

145

2

150

mH [GeV]0100

図 6: 95%信頼度で生成断面積に対する上限値を標準模

150

200

型の生成断面積で規格化したもの。

Z ボソン対に崩壊するチャンネル

ここでは低い質量領域 (mH < 130 GeV) に感度があ

図 7: 4 レプトンから再構成された普遍質量分布。
p0

4.2

250
m4l [GeV]

る 4 レプトンに崩壊するチャンネルに焦点を当てて紹介

1

10-1

する。このモードはいわゆる発見モードの一つであり, 4
レプトンから再構成された質量の分解能がよく (低い質10-2量領域で 1-2%), ヒッグス粒子の質量ピークが観測可能10-3である。また, 背景事象が非常に少なく, クリーンなチャ
ンネルである。ただし, ヒッグス粒子が Z ボソン対に崩

10-4

壊し、さらに Z ボソン対が 4 レプトンに崩壊する分岐比は小さく 0.01 %ほどである。このチャンネルでは, いか

10-5に信号を増やすかが解析の焦点である。特に低い質量領

ATLAS Preliminary
Observed
Expected
2σ
3σ

(*)

H→ ZZ → 4l

∫Ldt = 4.8 fb-1

s=7 TeV10-6
110 120 130 140 150 160 170 180 190 200mH [GeV]

域では, Z ボソン対の少なくとも一つは仮想状態になっているので, 崩壊したレプトンの運動量も比較的小さい。
この解析では 4 つのうち 2 つのレプトンは pT > 20 GeVを要求し, 残り 2 つのレプトンは pT > 7 GeV という低

図 8: H → ZZ → 4` チャンネルの p0 。

い領域まで下げて信号のロスを抑えている。

4 レプトンの組み合わせのうち, もっとも Z ボソンの質量に近い組み合わせを m12 として, Z ボソンの質量ピーク領域 (|mZ − m12 | < 15 GeV) にあることを選択する。残りの組を m34 とする。低い質量領域のヒッグス

味深い。
今後さらに信号のアクセプタンスを増やすため, 2 レ
プトン対から再構成された質量の選択領域を広げる研究, この解析に最適化された同定効率を持つレプトンを粒子探索では仮想 Z ボソンを積極的に選択するために用いた解析などが精力的に行われており, 2012 年のデー

15 GeV< m34 < 115 GeV などとして信号のアクセプタ
ンスを上げている。図 7 は 4 つのレプトンから再構成さタ解析に向けて更なる改善が期待出来る。

れた普遍質量の分布である。見積もられた背景事象に,予想されるヒッグス粒子の質量分布が重ねてある。興味深い 3 事象が 125 GeV 付近に分布している。
図 8 は p0 という観測されたデータがどの程度背景事象の揺らぎで起こり得るのかを表した確率である。125 GeVに観測された事象の統計的有意度は 2.1 σ(1.6%) ではあるが, H → γγ の超過が観測された領域と合致しており,また点線で示されるヒッグス粒子が存在したときに期待される p0 とも無矛盾である [19]。2012 年のデータでも,この領域に有意な事象の超過が観測されるのか非常に興

4.3

W ボソン対に崩壊するチャンネル

ヒッグス粒子が W ボソン対に崩壊して W ボソン対がレプトンに崩壊するチャンネルは, 120-200 GeV の質量領域でもっとも発見感度がよい。ヒッグス粒子が 125 GeVに存在するならば, 崩壊分岐比は 2.3 %あるので, 2011 年の約 5 fb−1 のルミノシティで約 1700 事象 (H → W W →`ν`ν) がグルーオン融合で生成されている (ベクターボ
ソン融合は約 140 事象) ことになる。

このチャンネルでは, 二つのレプトンと高い消失横エネルギーを含む事象を選択する。また, スピン 0 の
ヒッグス粒子から崩壊した W ボソン対はスピン相関をもち, 観測される二つのレプトンは同方向に観測される特徴がある。このため, 小さい ∆φ`` と M`` を選択

Events / 10 GeV

14

35
30

∫

s = 7 TeV, L dt = 4.7 fb -1(*)

H→WW →lνlν + 1 jet

20

二つのニュートリノを含むので質量の再構成が困難で15あり, 2 光子事象や 4 レプトン事象のように鋭いヒッグ

1060

mT [GeV]

重要となる。おもな背景事象は W W , W +jets, Z+jets,tt̄ 過程であり, それぞれの背景事象の割合は観測される

背景事象の理解のためにレプトン, ジェット, そして消失横エネルギーの理解が重要になる。特に 2011 年後半で増加したパイルアップが消失横エネルギーの分解能を大きく低下させた。これにより, 本来高い消失横エネル
ギーを選ぶことによって抑制出来る, ニュートリノを持たない Z → ``+jets 事象が, 信号領域で重要な背景事象となった。また, 一つのジェットがレプトンにフェイクするような W +jets 事象は, モンテカルロシミュレーショ

図 10: 1 ジェット解析の mT 分布。
今後, W +jets, Z+jets 背景事象の系統誤差や絶対量を減らすため, フェイクレプトンやフェイク消失横エネルギーの理解がより重要になってくる。そのため,

W +jets 背景事象を抑制するためのレプトン選択の最適化や, Z+jets を抑えるために, パイルアップが多い環境でも比較的安定している粒子の飛跡を使った, 消失横運動量を用いて解析の改善を試みている。多変量解析やMatrix Element を用いた解析も進行中であり, 2012 年の解析ではさらなる発見感度の改善が期待出来る。

ンでのフェイクレプトンの見積もりが信頼出来ないので,データのコントロール領域を用いて評価をする。ヒッグ
ス粒子の質量が 125 GeV 付近の探索領域では, レプトンの pT が比較的低く, W +jets 事象の運動学的性質が信号事象と近くなる傾向がある。これによって mT の分布
形が近くなり, 系統誤差が大きい W +jets 背景事象の寄与が大きいことも発見感度の向上を難しくしている。
図 9,10 は 0 ジェット解析と 1 ジェット解析での mT 分
布である。背景事象の見積もりと観測されたデータには大きな矛盾は見られなかった [20]。

H [125 GeV]

80 100 120 140 160 180 200 220 240

背景事象との分離が困難になり, 背景事象の見積もりが択を最適化している。

tt
Z+jetsSM (sys ⊕ stat)
WZ/ZZ/W γ
Single Top
W+jets5

分布 mT を用いる。mT の質量分解能がよくないためジェットの数によって異なるので, それによって事象選

Data
WW

25

することで背景事象を減らしている。しかし終状態にス粒子の質量ピークが観測できない。そのため mT =q
miss )2 で定義される横質量(ET`` + ETmiss )2 − (p``T + ETATLAS Preliminary

4.4

τ レプトン対に崩壊するチャンネル

現在低い質量領域 (mH <130 GeV) のヒッグス粒子探索が行われているチャンネルの中で, 事象選択前の生成数がもっとも多いチャンネルはヒッグス粒子が τ レプト
ン対に崩壊するチャンネルである。しかし, 膨大な QCD
過程の背景事象から τ レプトン対を同定すること, Z ボ
ソンから崩壊した τ レプトン対から信号を分離することが困難で, これらの効率の改善が解析の鍵を握る。このチャンネルは, γγ に崩壊するチャンネルに比べて感度はEvents / 10 GeV

劣るが, ヒッグス粒子早期発見に必要なチャンネルであ120
100

ATLAS Preliminary∫s = 7 TeV, L dt = 4.7 fb -1(*)

H→WW →lνlν + 0 jets

Data
WW
tt
Z+jetsSM (sys ⊕ stat)
WZ/ZZ/W γ
Single Top
W+jetsH [125 GeV]る。また, このチャンネルでヒッグス粒子を発見し, 生成
断面積や崩壊分岐比を測定することで, 湯川結合の測定も可能である。ヒッグス粒子の生成過程は, グルーオン

80

融合過程が支配的であるが, ベクターボソン融合 (VBF)60

過程の生成は, 前後方に横方向運動量の高いジェットを生成すると言う特徴により, Z → τ τ チャンネルの背景

40

事象を減らすことが可能である。τ レプトン対に崩壊す20るチャンネルの探索においては VBF 過程に最適化したカテゴリがもっとも感度が高い。
60

80 100 120 140 160 180 200 220 240
mT [GeV]

図 9: 0 ジェット解析の mT 分布。

τ レプトン対の崩壊は, τ レプトンの崩壊がハドロニック (τh , τ →hadrons+ντ ) かレプトニック (τ` , τ → `ν` ντ )かによって 3 種類に分けられ (τ` τh , τ` τ` , τh τh ), それぞれ
背景事象の種類が違うことから別々に最適化された。最15
適化された事象選択後, 信号領域の背景事象は Z → τ τ

されそれぞれ最適化された解析を行った。主要な背景事

チャンネルが支配的で, 信号からの分離には, τ レプトン

象はベクターボソンと b クォーク対が生成されるチャン対の質量分布や, ジェットの数, VBF 過程特有の前後方

ネル (V +jets) で, 終状態が信号と同様なためこの背景のジェットが有効で, これらを用いた場合分けを行った。

事象を減らし, 正確に見積もることがこのチャンネルのまた, レプトンやハドロニックに崩壊した τ レプトンの鍵を握る。

フェイクによる背景事象はデータのコントロール領域か信号と随伴生成されたベクターボソンの横方向運動

ら見積もった。一つの例として, 図 11 に, τ` τh の VBF

量 (pVT ) が背景事象と比べて高いという性質を利用して,過程における τ レプトン対の質量分布を示す。いずれのpVT の大きさで場合分けをし, 信号-背景事象比の異なるカテゴリにも標準模型の背景事象からの超過が見られな

カテゴリーを統合することで発見感度をあげた。また,かったため, ヒッグス粒子の生成断面積 (標準模型に規V +jets チャンネルの背景事象はデータのコントロール格化) に対する棄却領域を得た。110 GeV-130 GeV の領領域を用いて規格化した。図 12 は W H → `νbb チャン

域で標準模型が予想する生成断面積の 2.7-3.8 倍以上をネルの pVT >200 GeV カテゴリに置ける b クォーク対の質量分布を示す。観測された事象数は背景事象の予想と棄却した [21]。
もっとも感度の高い VBF 過程のカテゴリは, 事象選

誤差の範囲で一致していたため, ヒッグス粒子の生成断択後に残る信号の数は約 5 事象と少なく, 系統誤差と比面積に対する制限をつけた。110 GeV-130 GeV の領域

較して統計誤差の影響がはるかに大きい。一方, 更なるで標準模型が予想する生成断面積の 2.7-5.3 倍以上を棄厳しい事象選択により信号-背景事象数比を改善するこ却した [22]。

とが可能であり, 取得されたデータ量に応じた最適化を

低い pVT 領域はジェットのエネルギー測定などの系統誤行なっていく予定である。また, 背景事象との分離が困差が支配的であるため, これらの系統誤差を小さくする

難であるこのチャンネルは, 多変量解析による恩恵も大ことが今後の改善の鍵を握る。また, b クォークのジェッ

きい。2012 年の解析では大幅な発見感度の改善が期待

トのエネルギー分解能の向上は b クォーク対の質量分布される。

における背景事象の軽減に役立つため発見感度が改善す45 eτhad + µτhad H+2-jet VBF
40
35
30
25
20
15
10

Data
5 x H(120)→ττ
Z→ττ (OS-SS)
Others (OS-SS)
W+jets (OS-SS)
Same Sign
Bkg. uncert.

Events / 10 GeV

Events / 20 GeVる可能性がある。

8
6∫ L dt = 4.7 fb

4

ATLAS Preliminary2-1s = 7 TeV

5
0
0

10

0
0
50 100 150 200 250 300 350 400
MMC mass mττ [GeV]ATLAS Preliminary∫-1

L dt=4.7 fb ,Data 2011
Signal × 5(m =120 GeV)H
Total BG
Top
Z+jetsW+jetsDibosonMultijets = 7 TeV

WH → l νbb
pW≥ 200 GeV
T

50

100

150

200
250
mbb [GeV]

図 12: b クォーク対の質量分布。

図 11: タウレプトン対の質量分布。

4.5b クォーク対に崩壊するチャンネル

低い質量領域 (mH <130 GeV) でヒッグス粒子の崩壊

4.6

発見の可能性と将来

ヒッグス粒子の存在の有無で, 今後の素粒子物理学の進むべき道は大きく変わるかもしれない。しかし, 標準

分岐比がもっとも高いのは b クォーク対である。b クォー

模型が予想するヒッグス粒子の発見と言うのは, あくま

ク対を含む背景事象を効率的に除くため, 探索はベク

でもヒッグス機構の検証の第一歩でしかない。自発的対ターボソンとの随伴生成過程で行われる。τ レプトン対称性の破れが, 素粒子質量の起源であることの証明には,の探索同様, 湯川結合の測定に極めて大切なチャンネル

結合定数の測定, つまり, 各生成崩壊過程を精密に測定である。解析はベクターボソンの種類と崩壊過程から,し比較することが必要不可欠ある。本章では, これまで

ZH → ``bb, ZH → ννbb, W H → `νbb の 3 種類に分類紹介した様々なチャンネルでのヒッグス探索を比較しつ
つ, コンバイン [23] と発見の可能性について述べる。
コンバインに用いた各チャンネルの標準模型ヒッグス粒子に対する制限を図 13 に示した。それぞれ点線が予想制限, 実線が観測された制限を示す。(白黒印刷の読者

Signal strength

16

2.5
2
1.5

の方のため) 低い質量領域 (125 GeV) は, 予想感度が高い順に H → W W → `ν`ν, H → γγ, H → ZZ → 4`,

095% CL limit on σ/ σSM

Exp.

Obs.

Exp.

-1
H→γ γ H(4.9
→γ γfb(4.9) fb-1)-1-1
H→τ τ H(4.7→τ τfb(4.7) fb )
H → bb
H→(4.6-4.7
bb (4.6-4.7
fb-1) fb-1)
-1
-1
H→ WW
H→
→WW
lν lν→(4.7lν lνfb(4.7) fb )

Obs.

s = 7 TeV

-0.5
-1
110 115 120 125 130 135 140 145 150
mH [GeV]-1

L dt ~ 4.6-4.9 fb , s=7 TeV

図 15: 各質量点での信号の強さに対するベストフィットの値 (標準模型に規格化)。

1

10-1

ATLAS 2011 Preliminary
200

100

象からの超過は, 標準模型で期待される断面積で規格化

CLs limits

300

400

600

した測定値 (信号の強さ) を考えると極めて標準模型予mH [GeV]

想に近い。図 15 は, 信号の強さをヒッグス粒子質量の500

図 13: コンビネーションに用いたチャンネル。
各チャンネルの解析で用いた様々な系統誤差の起源を精査し, その相関を考慮した上で profile likelihood 法 [24]による検定を行い, 観測されたデータがどの程度背景事
象の揺らぎで起こりえるのかを表した確率 (p0 ) を算出した。図 14 は低い質量領域における p0 の値をヒッグス粒子の質量の関数で示したものである。点線はヒッグス粒子が存在したときの期待される p0 の分布を示し, 実
線は観測された p0 をそれぞれ示す。右側の数字は, その確率が何 σ に相当するのかを示したものである。もっとも p0 が小さかった質量は 126 GeV であり, 統計的有意度は 2.6 σ であった。この結果は, 発見にはいたってはいないが, ヒッグス粒子の存在を示唆する重要な結果であるといえる。

0

さらに興味深いことに 126 GeV で観測された背景事

Local p

-1

-1.5

-1
H→ WW
H→→WW
lν qq
→ (4.7lν qqfb(4.7) fb-1)-1-1
H→ ZZH→→ llllZZ→(4.8
llllfb(4.8) fb )-1
H→ ZZH→→ llqqZZ→(4.7
llqqfb(4.7) fb-1)-1-1
H→ ZZH→→ llZZν ν→(4.7llν νfb(4.7) fb )∫

10∫2011 Data
Ldt = 4.6-4.9 fb

1
0.5

H → τ τ , H → bb, の 5 つのチャンネルを用いた。

ATLAS Preliminary
Best fit-2 lnλ(µ) < 1

1

ATLAS Preliminary

2011 Data
1σ

10-1

2σ

10-2
10-3

10-5
10-6
10-7

∫

ネルでの信号の強さは結合定数の測定を示唆する重要な手がかりになる。表 1 に, チャンネルごとの信号の強さを 126 GeV における値として示す。この結果が示す
ようにすべてのチャンネルでの観測結果は, “信号の強さ=1” と誤差の範囲で矛盾しない。しかし, もっとも感度の高い二つのチャンネル (H → W W → `ν`ν および

H → γγ) でその中心値に違いが見られる。今後のデー

タ解析でこれらの値がどこに収束するのかが非常に大切な要素となる。

表 1: 126 GeV のヒッグス粒子を仮定したときの信号の強さに対するベストフィット (標準模型に規格化)。
チャンネル

信号の強さ

H → W W → `ν`νH → γγ0.2 ± 0.6
2.0 ± 0.8

H → bb−0.8 ± 1.9

H → ZZ → 4`
H → ττ
コンバイン+1.2
1.2−0.8
0.2 ± 1.8

0.9 ± 0.4

3σ

Obs.
Exp.

10-4

関数で示したものである。もちろんこの超過を慎重に議論する必要がある。本章の冒頭に書いたように各チャン

さて, 126 GeV 付近以外のヒッグス粒子の可能性はな
4σ-1

Ldt = 4.6-4.9 fb
s = 7 TeV

110 115 120 125 130 135 140 145 150
mH [GeV]

図 14: 予想および観測された p0 。

いのだろうか。図 16 に標準模型に規格化したヒッグス粒
子の生成断面積に対する制限 (95%信頼度) をヒッグス粒

5σ子の質量の関数で示す。点線が予想される制限, 実線が観測された制限に対応していて, “制限=1” を下回る質量
領域は 95%の信頼度で棄却されたことを示す。126 GeV付近の制限が予想と比較して高いのは, データの超過に対応し, それ以外の領域では, 118(±0.5) GeV の小さな

17
領域を除くすべての質量領域を棄却したことになる (棄測されている標準模型ヒッグスを示唆する超過を確実な却領域は, 110.0 GeV< mH <117.5 GeV, 118.5 GeV<

ものにするというシナリオ, 感度の足りない 114 GeV-mH <122.5 GeV, mH >129 GeV)。予想感度が棄却に120 GeV の領域に隠されたヒッグス粒子を発見するとい届いていない 120 GeV 以下の領域については今後のデー

うシナリオ, もしくはすべての質量領域で標準模型ヒッ

タで再度確認する必要があるが, ヒッグス粒子が存在する

グス粒子の存在を棄却するというシナリオ, 現段階でど可能性がある領域は極めて狭い領域を残すのみとなった。

のケースになるか明確には予測はできないが, 今年予定

95% CL Limit on σ/σSMされているデータ (約 20 fb−1 ) で確実に結論づけられる。
ATLAS Preliminary

2011 Data

Obs.
Exp.
±1 σ
±2 σ

10

∫ Ldt = 4.6-4.9 fb-1

s = 7 TeV

また, ヒッグス粒子の有意な兆候が見られた際には, 結合定数の測定に関しても重要なヒントが得られる。今年の結果に期待していてほしい。

5

1

標準模型を越える物理の探索
今回はヒッグス粒子探索を中心に紹介してきたが, 標

10-1

準模型を越える新しい物理の探索に関する結果もアップ

CLs Limits
110 115 120 125 130 135 140 145 150
mH [GeV]

図 16: 標準模型ヒッグス粒子の生成断面積に対する上限 (低い質量領域)。

デートされている。多くの重要な結果が公開されたが,今回は, 2011 年全データを用いた結果のみを簡単に紹介
し, それ以外の結果は次回に託す。
ジェット対やレプトン対に崩壊する細い共鳴状態の探索は, 標準模型を越えた新しい物理現象の探索に有用であり, エネルギーフロンティアのベンチマークとして探最後に高い質量 (特に 200 GeV を越える) 領域におけるヒッグス粒子探索について簡単にまとめる。詳細は述べなかったが, 図 13 に示したように高い質量領域では索が続けられる。解析はシンプルで, 質量分布のなだらかな背景事象の上にピークとなって観測されることから新粒子の兆候をいち早く観測することが可能である。前(白黒印刷の読者の方のため)350 GeV における予想感度が高い順に, H → ZZ → ``νν [25], H → ZZ → 4`,

回も紹介した ([3] 図 16) ジェット対共鳴は約 5 倍の統計

H → W W → `νqq [27] の 5 つのチャンネルで探索が行われている。探索された 600 GeV までの領域に感度のニメソン, Randall-Sundrum グラビトンなどの理論モデ

H → ZZ → ``qq [26], H → W W → `ν`ν および高い超過は観測されず, 95%信頼度での生成断面積に対する上限を与えた (図 17)。結果は, 539 GeV(予想値は95% CL Limit on σ/σSM

555 GeV) 以下の標準模型ヒッグス粒子を棄却した。
ヒッグス粒子探索は大詰めを迎えたといえる。現在観10に増して解析が行われた [28] が, 有意な超過は見られなかった。レプトン対共鳴は重いゲージボソン (Z 0 ), テク
ルを探索可能である。結果として, 有意な超過は見られず, 理論モデルによるが 1-2 TeV の質量を棄却した [29]。
超対称性粒子の探索は, LHC 実験で探索可能な標準模型を越える新しい物理としてもっとも期待されている理論の一つではないだろうか。解析はレプトンの有無でふたつにわけられる (マルチジェット, 1 レプトン)。マルチ
ジェット解析 [30, 31] は, ジェットと消失横エネルギーを

ATLAS Preliminary

∫

Obs.
Exp.
±1 σ
±2 σ

2011 Data

持つ事象として探索され, もっとも感度の高いチャンネ

Ldt = 4.6-4.9 fb-1ルである。前回, グルィーノ-スクォーク質量面の棄却領

s = 7 TeV

域を紹介した ([3] 図 12)。統計を 4 倍に増して探索が行
われ, 感度の高い超過は見られなかったが, グルィーノお1

よびスクォークの質量に対して新たに 200-500 GeV の領域を棄却した。図 18 に, 4 ジェットと消失横エネルギーを持つ事象の effective mass(消失エネルギーのビーム軸10-1方向のエネルギーを 0 と仮定したもの) 分布を示す。1 レ
CLs Limits
100

200

300

400

500

600
mH [GeV]

図 17: 標準模型ヒッグス粒子の生成断面積に対する上限 (110 GeV< mH <600GeV)。

プトン解析は, 超対称性粒子の多段崩壊中にレプトンが多く放出される場合感度が高く, またレプトンはジェットに比べて低い運動量まで再構成が可能なため, 質量ス
ペクトラムが縮退している場合の探索にも重要である。
結果 [32] は, このチャンネルでも有意な超過は観測されL dt = 4.7 fb∫Data2011 ( s = 7 TeV)

103

-1

Total Integrated Luminosity [fb -1]

Entries / 100 GeV

18

SM Totalt t and single top
Z+jetsW+jetsDibosonmultijet
SM+SU(500,570,0,10)
SM+SU(2500,270,0,10)

102

10

ATLAS Preliminary
SRC

1

4.5
4

ATLAS Online Luminosity

3.5
3
2.5

s = 8 TeV

LHC Delivered
ATLAS Recorded
Total Delivered: 3.23 fb-1
Total Recorded: 3.04 fb-1

2
1.5
1

DATA / SM

0.5
2.50
2
1.5
1
0.5
0
0

500

1000

1500

2000

2500

3000

500

1000

1500

2000

2500

3000

meff (incl.) [GeV]

図 18: (上) マルチジェット解析における effective mass
分布。(下) データを予想される全バックグラウンドで割ったもの。

26/04

28/05
Day in 2012

図 19: 2012 年に取得された 8 TeV データの積分ルミノ
シティ。

参考文献
[1] 浅井祥二, 「LHC (ATLAS・CMS) 最新結果 I」,

なかった。
本章で紹介してきた標準模型を越える物理の探索は,その棄却領域が既に TeV 領域に達していて, 重心系エネ
ルギーと陽子構造関数を考慮すると今後大幅な更新が望めない。LHC のデザインエネルギー (14 TeV) での衝突が待ち遠しいところである。

6

0
26/03

おわりに

高エネルギーニュース 29-3, 142 (2010).

[2] 戸本誠, 花垣和則, 「LHC 最新の研究結果 II」, 高エネルギーニュース 30-1, 116 (2011).

[3] 津野総司, 金谷奈央子,「LHC 最新の研究結果 III」,
高エネルギーニュース 30-3, 210 (2011).
[4] https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/AtlasPublic

矛盾しないという実験結果は歴史的発見の前兆である[5] ATLAS Collaboration, “Measurement of the
W + W − Production Cross Section in Proton√
Proton Collisions at s = 7 TeV with the ATLAS Detector”, ATLAS-CONF-2012-025.

可能性が高い。さらに LHC 加速器は重心系エネルギー[6] ATLAS Collaboration, “Measurement of the to-

今回はヒッグス粒子探索を中心に紹介してきた。質量126 GeV に興味深い超過が観測され標準模型の予想とを増強し, 8 TeV の衝突実験が今年も順調に始まった。
この増強は, 7 TeV と比較して, 同等の感度を約 3/4 のデータ量で実現可能であると予想されている。5 月中旬現在, 積分ルミノシティ3 fb−1 を越え順調に稼働を続けている (図 19)。一方で, ピーク瞬間ルミノシティは
33

6×10 cm−2 −1

sを越え, 平均多重衝突事象数は 2011 年

ランの約 2 倍観測されているため, 高パイルアップ環
境でのデータの理解が必要である。今後の予定では, 夏の国際会議までに 5-10 fb−1 , 2012 年中 (11 月まで) に

15-20 fb−1 のデータを取得する予定である。
また, 今年 12 月より二年間のシャットダウンが予定されていて, 検出器および加速器の増強を行う (重心系エ
ネルギーは 13-14 TeV を予定)。この増強によって TeV
領域の新しい物理の探索にも期待が高まる。今年はもちろん, しばらく LHC の結果から目が離せない。

tal ZZ production cross section in the fourlepton channel with 4.7 fb− 1 of ATLAS data”,
ATLAS-CONF-2012-026.
[7] ATLAS Collaboration, “Measurement of the ZZ
production cross section in the ``νν channel in√proton-proton collisions at s = 7 TeV with the
ATLAS detector”, ATLAS-CONF-2012-027.
[8] ATLAS Collaboration, “Measurement of the top
quark mass with the template method in the top
antitop → lepton + jets channel using ATLAS
data”, arXiv:1203.5755 [hep-ex]; CERN-PH-EP2012-003.
[9] M. Aliev et al., “HATHOR - HAdronic Top
and Heavy quarks crOss section calculatorR”
Comput. Phys. Commun.182 (2011) 1034-1046,
arXiv:1007:1327 [hep-ph]19[10] ATLAS Collaboration, “Measurement of the[20] ATLAS Collaboration, “Search for the Standard

cross section for top-quark pair production in√pp collisions at s = 7 TeV with the ATLAS

Model Higgs boson in the H → W W → `ν`ν√
decay mode with 4.7fb−1 of ATLAS data at s =detector using final states with two high-pt leptons”, arXiv:1202.4892 [hep-ex]; CERN-PH-EP-

7 TeV”, ATLAS-CONF-2012-012.

2011-223.
[11] ATLAS Collaboration, “Measurement of thettbar production cross-section in pp collisions at√
s = 7 TeV using kinematic information of lepton+jets events”, ATLAS-CONF-2011-121.
[12] ATLAS Collaboration, “Measurement of the tt̄
production cross section in the all-hadronic chan√nel in ATLAS with s = 7 TeV data”, ATLASCONF-2012-031.
[13] ATLAS Collaboration, “Measurement of the tt̄
production cross section in the final state with ahadronically decaying tau lepton and jets using
the ATLAS detector”, ATLAS-CONF-2012-032.
[14] ATLAS Collaboration, “Measurement of the tchannel single top-quark production cross sectionin pp collisions at sqrts = 7 TeV with the ATLAS
detector”, arXiv:1205.3130 [hep-ex]; CERN-PHEP-2012-082.
[15] D0 Collaboration, “Evidence for Spin Correlation in tt Production”, Phys. Rev. Lett. 108
032004 (2012).
[16] ATLAS Collaboration, “Observation of spin correlation in ttbar events from pp collisions at√
s = 7 TeV using the ATLAS detector”,
arXiv:1203.4081 [hep-ex]; CERN-PH-EP-2012074.
[17] ATLAS Collaboaration, CMS Collaboration,“Combined Standard Model Higgs boson−1

searches with up to 2.3fb
of pp collisions at√
s = 7 TeV at the LHC”, ATLAS-CONF-2011157.
[18] The ATLAS Collaboration, “Search for the Standard Model Higgs Boson in the Diphoton Decay
Channel with 4.9 fb−1 of pp Collision Data at√
s = 7 TeV with ATLAS”, Phys. Rev. Lett.108,111803 (2012).
[19] ATLAS Collaboration, “Search for the Standard
Model Higgs boson in the decay channel H →ZZ(∗) → 4` with 4.8 fb−1 of pp collision data atwith ATLAS”, Physics Letters B 710 (2012).

[21] ATLAS Collaboration, “Search for the Standard
Model Higgs boson in the H → τ τ decay mode√with 4.7 fb−1 of ATLAS data at s = 7 TeV”,
ATLAS-CONF-2012-014.
[22] ATLAS Collaboration, “Search for the Standard
Model Higgs boson produced in association witha vector boson and decaying to a b-quark pair√using up to 4.7 fb−1 of pp collision data at s =7 TeV with the ATLAS detector at the LHC”,
ATLAS-CONF-2012-015.
[23] ATLAS Collabolation, “An update to the combined search for the Standard Model Higgs bosonwith the ATLAS detector at the LHC using up√
to 4.9 fb−1 of pp collision data at s = 7 TeV”,
ATLAS-CONF-2012-019.
[24] G. Cowan, K. Cranmer, E. Gross, and O. Vitells,“Asymptotic formulae for likelihood-based testsof new physics” Eur.Phys.J. C71 (2011) 1554.
[25] ATLAS Collaboration, “Search for a Standard
Model Higgs in the H → ZZ → ``νν decay
channel with 4.7 fb−1 with the ATLAS detector”,
ATLAS-CONF-2012-016.
[26] Atlas Collaboration, “Search for a Standard
Model Higgs in the mass range 200-600 GeV in
the channel H → ZZ → ``qq with the ATLAS
detector”, ATLAS-CONF-2012-017.
[27] Atlas Collaboration, “Search for the Higgs bosonin the H → W W → `νjj decay channel using√
4.7 fb−1 of pp collisions at s = 7 TeV with the
ATLAS detector”, ATLAS-CONF-2012-018.
[28] ATLAS Collabolation, “Search for New Phenomena in Dijet Mass and Angular Distributions us√
ing 4.8 fb−1 of pp Collisions at s = 7 TeV collected by the ATLAS Detector”, ATLAS-CONF2012-038[29] ATLAS Collabolation, “Search for high-mass
dilepton resonances with 5 fb−1 of pp collisions√
at s = 7 TeV with the ATLAS experiment”,
ATLAS-CONF-2012-007

20[30] ATLAS Collabolation, “Search for squarks andgluinos using final states with jets and missing
transverse momentum”, ATLAS-CONF-2012033[31] ATLAS Collabolation, “Hunt for new phenomena using large jet multiplicities and missing
transverse momentum with ATLAS in L =√4.7 fb−1 of s = 7 TeV proton-proton collisions”,
ATLAS-CONF-2012-037[32] ATLAS Collabolation, “Further search for super√symmetry at s = 7 TeV in final states with jets,
missing transverse momentum and one isolated
lepton”, ATLAS-CONF-2012-041