LHC実験での荷電ヒッグス粒子の探索
佐藤構二
宇宙史センター構成員会議
2020年11月30日

1LHC実験

スイス・アルプス山脈

世界最高エネルギーでの加速器実験𝒔 ≤14 TeVでの陽子・陽子衝突2010年 LHC加速器稼動開始。
2011-12年 物理Run開始。Ecm=7 – 8 TeV, 25 fb-1のデータ取得。
2012年 LHC加速器のATLAS/CMS両実験がヒッグス粒子を発見。
2015-18年 エネルギーをEcm=13 TeVに上げてRun 2実験。
2022-2024年 Run 3。Ecm=13-14 TeV , ～300 fb-1のデータセット。
ジュネーブ市街
2027-203X年 HL-LHC実験。～3000 fb-1の大データセット。

CMS実験

ATLAS実験

円周27km2
陽子を最大7 TeVまで加速して正面衝突

LHCの長期将来計画

3

Accelerator LS2 Upgrades• 2019-2021: Long Shutdown (LS2) preparing for Run 3 in 20222023.

Key Plans for LS2 Accelerator Upgrades

https://home.cern/news/news/accelerators/key-plans-next-two-years-lhc• Preparation for HL-LHC, as well asRun 3 and maintenance.
• More intense, concentrated beam,with new Linac accelerating Hinstead of proton.
• Replace Linac 2 with new Linac 4.
• Upgrade Booster injection.
• New RF system in SPS.
• Bring beam energy up to 7 TeV.
• Consolidate the diodes providing
current to dipole magnets• ~20 magnet replacements, install newlifts, …

4••
•
•••
•

シリコン検出器
飛跡検出器
ソレノイド磁石
電磁カロリーメータハドロンカロリーメータ
トロイド磁石ミューオン検出器

ATLAS検出器

総重量 7,000 t• 最高エネルギーでの、さまざまな素粒子反応の研究• ヒッグス粒子、標準理論、トップクォーク、Bメソン、超対称性、新物理探索、重イ5オン衝突…

ATLAS LS2 Upgrades
L1カロリーメータ・トリガーのアップグレード

新しいミューオン検出器 Muon Small Wheel

arXiv:1810.01394v

新しいミューオンチェンバー（NSW）の建設（写真は2020年9月）

Nucl.Instrum.Meth. 825 (2016) 374-378

6

LHCの長期スケジュール
LS2が2021年いっぱいまで、延長されることが決定した。

7

これまでATLAS実験が取得したデータ
𝑬𝑪𝑴 (𝐓𝐞𝐕)

integ lumi
[fb-1]

2011

752012

821

Run 1

𝑬𝑪𝑴 = 𝟏𝟑 (𝐓𝐞𝐕)
Peak lumiDays
pp physics

Recorded integ lumi
[fb-1]

Good for Physics [fb-1]
累積

2015

0.556

3.93.22016

1.412236.036

2017

1.915046.980

2018

2.115265.0139

Run 2 E34 cm-2s-1Run 28標準理論の精密検証𝜎𝑡𝑡𝑡ҧ 𝑡ҧ = 24+7−6 fb 𝑆𝑀: 12.0 ± 2.4 fb , 4.3 𝑠. 𝑑. （2020年夏の結果）
１５桁に渡るさまざまな断面積のプロセスを精密測定しながら、標準理論を検証している。
O(1 fb) 過程を観測し始めている。

9ヒッグス粒子発見の発表

2012年7月4日 LHC加速器のATLAS/CMS両実験が発見を報告
2013年 アングラール、ヒッグスがノーベル物理学賞を受賞

発見チャンネルの現在
2012年夏の結果

Phys. Lett. B 716 (2012) 1-29

２チャンネル合わせて5.9σ.

𝐻 → 𝛾𝛾𝐻 → 𝑍𝑍 → 4ℓ

データが増えたため、ヒッグ
ス粒子のピークがよりハッキリ見える→現在は、ヒッグス粒子の精密測定の時代
Run2全データでの解析
ATLAS-CONF-2019-029

Eur. Phys. J. C 80 (2020) 941

11結合𝑚𝑒𝑎𝑠 /結合𝑆𝑀結合の測定値

ヒッグス粒子の結合の測定結果

12標準理論の粒子◼
◼

現在までの素粒子実験の結果は、標準理論の予言とよく一致している。
標準理論では、ヒッグス粒子は１つだけ。

13

標準理論の粒子◼
◼

現在までの素粒子実験の結果は、標準理論の予言とよく一致している。
標準理論では、ヒッグス粒子は１つだけ。

𝑯+𝑨…

ヒッグス粒子だけ1種類しかない。。。
もっとあってもいいじゃないか？

14

2 Higgs Doublet Model (2HDM)• 標準理論: ヒッグス・ダブレットを一個入れた。
𝜙+
𝜙1 + 𝑖𝜙2Φ==
𝜙3 + 𝑖𝜙4𝜙0– 4つの自由度→ 𝑊 + , 𝑊 − , 𝑍の質量＋ヒッグス粒子– Vacuum Expectation Value 𝑣 = 246 GeV• ヒッグス・ダブレットを2つ入れたら、、、𝐻𝑢+𝐻𝑑0
H𝑢 =,H𝑑 =𝐻𝑑−𝐻𝑢0– 8つの自由度→𝑊 + , 𝑊 − , 𝑍の質量＋5個のヒッグス粒子ℎ, 𝐻, 𝐴, 𝐻+ , 𝐻 −•2つのVEV: 𝑣1 , 𝑣2
𝑣12 + 𝑣22 =246 GeV
tan 𝛽 = 𝑣2 /𝑣1

2HDMのヒッグス物理は、𝑚(𝐻 + )と𝑡𝑎𝑛𝛽の2変数で記述される。

超対称性理論では、標準理論どおりの単一ヒッグス粒子では筋の通った理論に作れない。必ず複数のヒッグス粒子があるべき。
MSSMのLagrangianは、2HDMのヒッグス機構と同じ。
15

超対称性
フェルミ粒子とボーズ粒子の間の対称性＝超対称性。
• ヒッグス質量の発散が自然に抑えられる（？）• 力の大統一が自然にできる。
• 標準理論と同じ数の未発見粒子があるはず。
• 未発見粒子が暗黒物質である可能性。

ＬＨＣでの荷電ヒッグスの性質• 𝐻 + は、重いトップやボトムクォークとの結合が強いため、ＬＨＣではトップクォークを伴って生成する場合が多いと予想される。
ҧ + 生成– 𝑡𝑏𝐻• 𝑚𝐻 + ≲ 160 GeVの領域は厳しく棄却されている。
• 𝒎𝑯+ ≳ 𝟐𝟎𝟎 𝐆𝐞𝐕では、𝐻 + → 𝑡𝑏崩壊の分岐比が大きい。
𝑯+ → 𝝉𝝂探索による棄却域

崩壊分岐比 ＭＳＳＭ（𝒎𝒎𝒐𝒅+シナリオ） の例
𝒉17+荷電ヒッグス粒子の𝐻 → 𝑡𝑏 崩壊の探索
筑波大学グループは、𝐻 + → 𝑡𝑏 崩壊の探索解析に貢献してきた。
Run 1– 永田- Ph.D. in Dec 2016
– JHEP 03 (2016) 127
Run 2 (36.1 fb-1)– 萩原- Ph.D. in Feb 2018
– JHEP 11 (2018) 085
Run 2（139 fb-1) – 現在解析中– 山内(D2)、（廣瀬、佐藤）• 今日のメイン： ATLAS-CONF-2020-039

t𝑏ത

18

解析チャンネルҧҧ 𝑡𝑏ത → 𝑊 − 𝑏ത 𝑏 𝑊 + 𝑏 𝑏• 𝑡𝑏𝐻→ 𝑡𝑏+• ２つの𝑊の崩壊モードが片方がレプトン、もう片方がハドロンに壊れるモードで探している。
– ℓ + 𝑗𝑒𝑡𝑠チャンネル： ℓ𝜈 + 𝑞𝑞′4𝑏• イベント中のジェット数/bタグ数によって、さらにサブチャンネルに分けて解析。
• ℓ + 𝑗𝑒𝑡𝑠: ℓ + 5𝑗3𝑏, ℓ + 5𝑗 ≧ 4𝑏, ℓ +≧ 6𝑗3𝑏, ℓ +≧ 6𝑗 ≧ 4𝑏
ҧ multijets• バックグラウンド： 𝒕𝒕ҧ + 𝒋𝒆𝒕𝒔, ： 𝑡𝑡ҧ + 𝑉, single top, 𝑉 + 𝑗𝑒𝑡𝑠, 𝑡𝑡ℎ,19

多変数解析によるS/B分離• ニューラルネットワークによる多変数解析。
• 15個の運動学的変数の関数として、S/B分離が非常に良い変数を作った。

20

データの分布データの分布

荷電ヒッグス粒子の兆候はみられなかった

荷電ヒッグス粒子の生成断面積の上限

21

MSSMへの制約
JHEP 11 (2018) 085

新しく得られたMSSMへの制約

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重い荷電ヒッグス粒子を探すモチベーション• トップクォークよりも軽い場合は、𝐻 ± → 𝜏𝜈探索の結果により広く棄却されている。
• 既に発見されているヒッグス粒子の精密測定結果は、重い𝐻 ± と整合が良い。

𝑯+ → 𝝉𝝂探索による棄却域𝒉(𝟏𝟐𝟓)の精密測定から得られたMSSMへの制約

𝑚𝐴 ~𝑚𝐻 ± , for 𝑚𝐴 ≫ 𝑚𝑊

23

今後の予定• いままでは、 1ℓ +≥ 5𝑗𝑒𝑡 事象を解析してきた。
• 𝐻 ± が重くなると、トップクォークが高運動量になる。
• 高運動量のトップクォークは、1個の太いジェット（boosted jet）として再構成した方が有利。
• Boosted jetを使った新しいチャンネルを解析し、高質量の荷電ヒッグス粒子への感度をあげる。

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まとめ
• LHCは、2019年からの長期シャットダウン中。Run 3は2022年から開始予定。
• ATLASもアップグレード作業が進行中。
• Run 2で取得した139 fb−1 データの解析を行っている。
• 本講演では、標準理論とヒッグス粒子の精密測定について紹介した。
• 筑波大学グループは、𝐻 ± → 𝑡𝑏崩壊する荷電ヒッグス粒子を探索している。
– 今年の夏の国際会議で結果を発表し、現在論文の準備中。
– Boosted jetを使って新しいチャンネルを開発、Run2データを解析する。

25

Backup26

Vacuum stability

10.1007/JHEP08(2012)098
27

MSSMヒッグスの質量関係式• tan 𝛽 = 𝑣2 /𝑣1 として、Tree Levelで：•

ただし、Tree Levelでは:で、𝑚ℎ = 125.5 GeV/𝑐 2 はRadiative Correctionで実現する。

多くの場合、hがいま見えている
ヒッグス粒子だと思っている。

• 𝐶𝑃-even mass mixing angle:• 2HDM, MSSMでは、 𝑀𝐴 , 𝑡𝑎𝑛𝛽 , (𝛼, 𝛽)など、2パラメータを決めると物理が（ほぼ）決まる。
28

h(125)測定からのMSSMへの制約

29

荷電ヒッグス粒子の性質• ２HDMのLagrangian:

𝑃𝐿/𝑅 are projection operators for left-/right-handed fermions30

Fox Wolfram moment• i, j: all leptons and jets in our analysis.

• Legendre polynomial:31

NN outputの分布32

Systematic Uncertainties

33

NNへのインプット変数
Leading jet Pt

34

CMSの結果との比較

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