LHC ATLAS実験Run 3の状況と最新物理結果（CMSを含む）

廣瀬茂輝 (筑波大)
2023年12月18日
2023年度第2回TCHoU構成員会議・成果報告＆交流会

2/21■ LHC-ATLAS実験
ミューオン検出器•••

Resistive Plate ChamberThin Gap Chamber
ドリフトチューブ

44 m

25 m
大型ハドロン加速器 @ CERN

• 周長27 km•
𝑠 = 13.6 TeVでの𝑝𝑝衝突(設計は14 TeV)
カロリメーター•• ATLAS検出器•

液体アルゴン（電磁/ハドロンカロリメーター）
タイル（ハドロンカロリメーター）

内部飛跡検出器•••

シリコンピクセル
シリコンストリップ
Transition Radiation Tracker– 飛跡検出器、カロリメーター、ミューオン検出器から構成される– 重い粒子の崩壊から出る高運動量粒子を捉える
未知の素粒子やトップクォーク、ヒッグス粒子など

3/21■ ATLAS実験の状況↑現在
ヒッグスの物理~500k Higgs↑ヒッグス発見！

~10M Higgs「精密測定」へ（様々な生成・崩壊過程を観測）

SUSYなどの探索~1 TeVまで棄却~2 TeVまで棄却•••

より稀な過程の探索
ダイヒッグス過程の探索
ヒッグスをプローブとした新物理探索•••

より高質量（= 低生成断面積）を狙う
レアなプロセス（電弱生成など）を狙う
解析技術向上で検出可能なフェーズ
スペースを増やす（低運動量レプトン、長寿命粒子検出など）• 昨年よりLHC Run 3運転が開始– これまでに約60 fb-1のデータを取得（Run 2の約4割）– Run 2データを使った詳細な解析 → Run 3データの解析へ徐々に移行

4/21■ Run 2でのヒッグス測定• 主要な生成過程や崩壊過程を一通り観測した– インクルーシブな断面積測定から、フェーズスペースを絞った測定、微分断面積測定へ
ATLAS-CONF-2021-051

𝐻 → 𝜏𝜏, 𝑏𝑏
𝐻 → 𝛾𝛾𝐻 → 𝑊𝑊, 𝑍𝑍𝑝TATLAS-CONF-2023-052

高高統計量が増えると、狭いフェーズスペース、稀なプロセスの測定が可能に！

5/21■ 高運動量ヒッグス生成
2個の𝑏ジェットが重なり合ってしまう
𝐶𝑖 : 𝐻-𝑖結合のmodifier•
𝐶𝑡 : 𝐻-𝑡結合•𝐶𝑔 : 𝐻-𝑔

𝐻
1つの巨大なジェットとして再構成する

M. Grazzini et al., JHEP 03 (2017) 115• 高運動量な領域は新物理の寄与に感度が高い• 実験的には、– バックグラウンドが少ない– 生成断面積が小さい

バックグラウンドは増えがちだが崩壊分岐比が大きい𝐻 → 𝑏𝑏, 𝜏𝜏崩壊が有利！

• 𝑏𝑏/𝜏𝜏が重なり合う → boosted 𝑏𝑏/𝜏𝜏再構成手法– 深層学習で𝑏や𝜏の特徴を絞り出す

■ Boosted 𝐻 → 𝑏𝑏解析

New at EPS-HEP

6/21

CMS, CMS-PAS-HIG-21-020

Zピーク
信号

ggF生成

Zピーク
信号
VBF生成Best fit
2.6σ• CMSによる𝑝T > 450 GeVの測定– CNNをつかったBoosted 𝐻 → 𝑏𝑏タガーを適用 CMS, CMS-DP-2022-041

μggF = 2.1 +1.9-1.7 (1.2𝜎)
μVBF = 5.0 +2.1-1.8 (3.9𝜎)

SMより少し大きめに出ている？
→ 今後の統計増で検証可能• 微分断面積測定: vs 𝑝T (ggF解析) / vs 𝑚𝑗𝑗 (VBF解析)– 非常に高い𝑝T or 𝑚𝑗𝑗 領域まで、𝜎𝜇 = ±3ぐらいで測定• ATLASもboosted 𝐻 → 𝑏𝑏の結果を2021年に出している

ATLAS, PRD 105(2022) 092003

■ Boosted 𝐻 → 𝜏𝜏解析
CMS, JINST 13 (2018) P10005

New at EPS-HEP

7/21

CMS, CMS-PAS-HIG-21-017

信号• CMSによる𝑝T > 350 GeVの測定

𝑝T > 600 GeVでも誤差~100%で測定– 専用の𝜏𝜏再構成アルゴリズム → BDTでQCDジェットと分離– ニューラルネットワークで信号を分類

𝜎(𝑝T > 350 GeV) = 1.96 +0.86-0.69 fb (3.5σ) → 35%の精度• 通常の再構成手法での結果 CMS, Eur. Phys. J. C 83 (2023) 562– 𝜎(𝑝T > 300 GeV) = 16.5 +6.5-6.4 fb (約38%の精度)

8/21■ 𝐻 → 𝜏𝜏解析 @ ATLAS• ATLASでは通常手法での解析のみを行っている ATLAS, JHEP 08 (2022) 175

信号• 𝑝T > 300 GeVの領域で39%の精度で測定– ATLASでもboosted 𝜏𝜏再構成アルゴリズムを開発した– 片方のτがレプトンに崩壊した場合のアルゴリズムも開発中

Boosted 𝐻 → 𝜏𝜏タガーを使った解析はRun 3の重要トピック 廣瀬

Boosted ττ

通常手法

ATLAS, PLB 812 (2021) 135980

9/21■ ヒッグス対生成探索@Run 2• ヒッグス自己相互作用定数𝜆を測定できる過程
崩壊分岐比は小さいが𝐻 → 𝛾𝛾がクリーン• 実験的には非常に難しい𝑉

ヒッグスポテンシャル（SMの場合、相転移後）

2𝑚𝐻
𝑉 ℎ =
ℎ2 + 𝜆𝑣ℎ3 + ⋯2

𝜙

0.13% 0.1% 0.02% 0.01% 0.002%
3.0%

1.1%

0.34% 0.14%

7.2%

2.6%

0.8%

24%

9.2% 𝑏𝑏𝑏𝑏と𝑏𝑏𝜏𝜏のちょうど中間の性質

34%

崩壊分岐比が大きい

SM
𝜎𝐻𝐻= 34.4 fb

Run 2全データ（140 fb-1）にわずか5000事象

2つのヒッグスが様々に崩壊
3つゴールデンチャンネル:𝑏𝑏𝑏𝑏、𝑏𝑏𝜏𝜏 、 𝑏𝑏𝛾𝛾

LHCの大統計でヒッグス対生成観測に挑戦

■ 𝐻𝐻 → 𝑏𝑏𝑏𝑏 (ブーストした𝐻 → 𝑏𝑏)
CMS, CMS-DP-2020-002

10/21

CMS, PRL 131 (2023) 041803

信号• ParticleNetを使った𝐻 → 𝑏𝑏タガーを開発

ParticleNet: H. Qu and L. Gouskos,
PRD 101 (2020) 056019– Graph Neural Networkベースのアルゴリズム– DNNを用いたタガーと比べてさらにバックグラウンドを半減→ 信号は少ないが純度が高い！
通常手法

新手法

𝜎/𝜎SM < 3.9 obs. (< 7.8 exp.)

𝜎/𝜎SM < 6.4 obs. (< 4.0 exp.)

新しい解析技術で新しい解析領域を切り拓いた結果11/21■ 𝐻𝐻 → 𝑏𝑏𝜏𝜏

ATLAS-CONF-2023-071

ggF

信号VBF

• 信号統計とバックグランド量のバランスが良いチャンネル• 2つの生成過程を狙った解析– ggF: 信号統計を稼ぐ– VBF: 𝐻𝐻𝑉𝑉結合定数に感度が高い• τレプトンの崩壊チャンネルに応じた解析を行う
ggF解析

VBF解析

𝜎/𝜎SM < 5.8 obs. (< 3.2 exp.)

𝜎/𝜎SM < 91 obs. (< 71 exp.)
Higgs2023での新結果

■ 𝐻𝐻 → 𝑏𝑏𝛾𝛾

12/21
ATLAS, arXiv:2310.12301• もっとも背景事象が少ないチャンネル– H→γγの分解能の良さの恩恵– 崩壊分岐比は非常に小さい（わずか0.1%！）• BDTで信号の純度を上げる → 𝑚𝛾𝛾 分布で信号を抽出

𝜎/𝜎SM < 4.0 obs. (< 5.0 exp.)

13/21■ ヒッグス対生成探索@Run 2CMS, Nature 607, 60 (2022)

ATLAS, PLB 843 (2023) 137745

最新結果が反映されていないので注意

𝜎/𝜎SM < 2.4 at 95% C.L.

𝜎/𝜎SM < 3.4 at 95% C.L.

• 2015+16と比べ、統計量は3.9倍に– 𝜎/𝜎SM < 10 から < 2.9に (期待値、ATLAS) → 統計量増以上の改善！

• Run 3でいよいよSMと同程度の精度での測定が可能に！
𝜎/𝜎SM = 1 ± 1のような感じ...?

北 (D1): 𝑯𝑯 → 𝒃𝒃𝜸𝜸

14/21■ パラメータ𝜆への制限
ATLAS, Phys. Lett. B 843 (2023) 137745

ATLAS, Phys. Lett. B 843 (2023) 137745= 𝜆/𝜆SM-0.4 < 𝜅𝜆 < 6.3 at 95% C.L.
(-1.9 < 𝜅𝜆 < 7.6 exp.)-1.2 < 𝜅𝜆 < 7.5 at 95% C.L.
(-2.0 < 𝜅𝜆 < 7.7 exp.)• 両実験ともに同程度の制限を設定している– ヒッグス単独生成からも高次効果で一定の制限がかかる15/21■ Run 3 and beyond

HL-LHCL = 7.5×1034 cm-2s-1↑
いまここ• 昨年7月からLHC Run 3が開始 ~260 fb-1
– 重心系エネルギー13.6 TeV (Run 2は13 TeV)
– ピークルミノシティ < 2×1034 cm-2s-1 → レベリングで積分lumi.を稼ぐ• 2029～: High Luminosity-LHC 3000-4000 fb-1
– 重心系エネルギー14 TeV– ピークルミノシティ 7.5×1034 cm-2s-1

まだLHC全期間の5%程度しかデータを取っていない16/21■ Run 3のfirst resutls
Run 1

Run 3
Run 2

• これまでに約70 fb-1を取得→ Run 2の~半分• Run 3での最初の結果– まずは生成過程の13.6 TeVで𝐻 → 𝛾𝛾𝐻 → 𝑍∗𝑍断面積測定
ATLAS, arXiv:2306.11379– ちゃんとヒッグスのピークが見えた！

17/21■ Run 3の展望
𝑁Higgs = 2.6×107

Run 1Run 2

Run 3

ヒッグス粒子発見！

まだ見ぬ未来(260 fb-1 @ Run 3)

𝑁Higgs = 8×106

𝑁Higgs = 2×105

2011• Run 3では稀崩壊まで調べられる！
Run 2
ATLAS μ = 1.2 ± 0.6 [1]
𝐻 → 𝜇𝜇の場合
CMS μ = 1.19 ± 0.43 [2]

2023

Run 3
1.2 ± 0.4
1.19 ± 0.28

注：中心値はそのまま統計誤差だけをスケールした非常に安直な見積もり[1] ATLAS, EPJC 82 (2022) 717[2] CMS, PRL 131 (2023) 041801

2025

1.19 ± 0.23?
（相対誤差19%）

第2世代フェルミオンの質量起源を解明できる？！

■ 最近の運転の状況

本当はこのぐらい行きたかった... →(85 fb-1 for 2023)

18/21• ATLAS側の運転は順調だった– Run 3用にアップグレードしたトリガーを本格的に使用開始– Recording efficiency: 93.7%• LHCのinner triplet破損事故が発生– 7/17の電圧変動でクエンチした際、ヘリウムが断熱真空に漏えい– Qマグネット間をつなぐベローズ部に2 mmの破断を発見、修理– 温度サイクルに4週間、原因特定・修理に2週間 → 9月中旬まで運転停止

詳細はCERN News 11 Aug 2023

• 来年は今年（当初予定）＋約1.5ヶ月分の陽子陽子衝突ランを予定

■ HL-LHCへ: ATLASアップグレード

19/21• Run 3後のシャットダウン期間（2026-2028）に行う
トリガー・DAQ回路• 新しいスキームに刷新

High Granularity Timing Detector• エンドキャップ部に時間分解能を持ったシリコン検出器（LGAD）を導入• 飛跡のタイミングを𝜎𝑡 ~30 psで捕え、前方飛跡の衝突点同定精度を上げる

ミューオン検出器• バレル部の「穴」を埋めるように新しいRPCを配置 → アクセプタンス（|𝜂| <2.7）を75% → 95%に改善• ミューオントリガー回路を刷新• 筑波大学はITkの量産、建設に大きな貢献

シリコン検出器（ITk）• シリコン＋ガスだったのを、総シリコン製のものに置換• |𝜂| < 2.5から|𝜂| < 4.0までアクセプタンスを拡大 → 前方ジェットに飛跡を付随させ、vertexの特定を可能に20/21■ ITk製作の状況~6 m

ITk Stripモジュール

ITk Pixelモジュール

43 mm

Pixel size: 50×50 μm2Strip pitch: ~75.5 μm2• ITk Strip: 日本グループはセンサー量産を担当– 約22,000枚を生産（日本は6,350枚を担当）– 2021年より順調に量産が進み、約80%が完了• ITk Pixel: 日本グループはセンサー～モジュール量産を担当– 約2,800モジュールを2025年までに製作予定→ その準備のための試験量産が本格的に進行中（今年6月～）
詳細は生出, 日本物理学会2023年年次大会– センサーやフリップチップの試験量産は昨年度完了→量産に移行中– CERNにおけるモジュール据え付け、システムテストの準備も開始■ まとめ21/21• LHC実験では、これまでに~107ヒッグス粒子に相当するデータを得た– Run 2において、主要な生成・崩壊過程をすべて観測– ヒッグスへの理解が飛躍的に進展、「ヒッグス精密測定」時代に• 今後もLHCのデータはどんどん増えていく– Run 3終わり: 2600万ヒッグス粒子、稀崩壊の観測• 現在、Run 2＋Run 3前半のデータをつかった解析が立ち上がりつつある– HL-LHC終わり: 約3億ヒッグス粒子 → 結合定数のO(1%)での測定、ダイヒッグス過程の観測など• 筑波大グループの成果（2023年度）– 物理: 物理学会1件– 現行シリコン: 今年度はいまのところなし– ITk製作: 物理学会3件