ATLAS実験の最近の物理成果

佐藤構二
宇宙史センター 構成員会議
2021/11/26

1

LHC実験

世界最高エネルギーでの加速器実験
𝑬𝑪𝑴 ≤14 TeVでの陽子・陽子衝突

スイス・アルプス山脈

2010年 LHC加速器稼動開始。
2011-12年 物理Run開始。Ecm=7 – 8 TeVでデータ取得。
2012年 LHC加速器のATLAS/CMSがヒッグス粒子を発見。
2015-18年 Run 2実験。Ecm=13 TeV。
2022-2024年 Run 3。Ecm=13.6 TeV のデータセット。
2026-203X年 HL-LHC実験。～3000 fb-1の大データセット。 ジュネーブ市街

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

COVID status at CERN

3

LHC長期スケジュール
LS2 2021まで

データ量は、積算ルミノシティ(単位 b−1)で測る。

積算ルミノシティ 𝑳
生成される事象数𝑛 = 𝜎 × 𝐿（例）𝜎 𝐻 ~55 pb、Run 2で生成されたヒッグス粒子は、
55,000 fb × 139 fb−1 ~7.6M個

year

𝑬𝑪𝑴 (𝐓𝐞𝐕)

integ lumi [fb-1]

2011

752012821

Run 2

2015-2018

13139

Run 3

2022-2024

13.6

160

HL-LHC

2026-

143000

Run 14

Accelerator LS2 Upgrades• 2019-2021: Long Shutdown (LS2) preparing for Run 3 in 20222024.

Key Plans for LS2 Accelerator Upgrades

https://home.cern/news/news/accelerators/key-plans-next-two-years-lhc• Preparation for HL-LHC, as well as Run
3 and maintenance.
• More intense, concentrated beam,with new Linac accelerating 𝐻 −instead 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, …

5

LHC Pilot Run• 10/19 LHCに約3年ぶりにビームを入射。
• 10/26 低エネルギーの陽子(450 GeV)どうしを衝突。

http://cds.cern.ch/record/2784881

6超電導ダイポール磁石のトレーニング

故障があったSector 23(diode),78(inter-turn short)は、修理・交換済
み。
トレーニングこれから（10月時点）。
Run 3の陽子ビームエネルギーは、6.8TeVになる。
⇒ 𝐸𝐶𝑀 = 13.6 TeV
7物理過程の生成断面積
Run 2→ Run 3
標準理論の過程

重い新粒子生成8•••••••

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9オン衝突…

ATLAS LS2 Upgrades

L1 Calo Trigger Upgrade

トリガー用読み出しを細分化することで、電子、光子トリガーへの他バンチヒットの影響を減らす。
トリガーエレクトロニクスのアップグレード。

New Muon Small Wheel
For L1 Muon Trigger

内層に新しいトリガーチェンバーを入れる。

arXiv:1810.01394

TDAQ Upgrade
Nucl.Instrum.Meth. A824 (2016) 374-378

10

New Small Wheel Muon Detectors
A-sideは6月にインストールされた

10/14 C-sideを ATLAS衝突点へ運搬

11/4 C-sideを ATLASカヴァーンへ

11

ATLASでの標準理論（SM）の検証• さまざまな物理過程の生成断面積測定は、標準理論とよく合っている。
• Run 2全データの解析では、𝑂(10 fb)の過程を観測し始めている。

12

WWW生成過程の観測

ATLAS-CONF-2021-039（Aug 2021）• 𝑒 + 𝑒 + /𝑒 + 𝜇+ /𝜇 + 𝜇+ +jetsとTrilepton channelを解析。
• ゲージボソンの多重結合やヒッグス粒子との結合を精密検証。

𝜎 𝑝𝑝 → 𝑊𝑊𝑊 = 850 ± 100 𝑠𝑡𝑎𝑡 ± 80(𝑠𝑦𝑠𝑡) fb
c.f. 𝜎𝑆𝑀 = 551 ± 42 fb

13

ヒッグス粒子発見の発表

2012年

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

ヒッグス発見チャンネルの現在
2012年夏、ヒッグス粒子発見時のデータPhys. Lett. B 716 (2012) 1-29

２チャンネル合わせて5.9σ.

𝐻 → 𝛾𝛾𝐻 → 𝑍𝑍 ∗ → 4ℓ
現在では、発見に使ったチャンネルでは大量の候補事象。
ヒッグス粒子の精密測定の時代に入っている。

ATLAS-CONF-2019-032

ATLAS-CONF-2019-025
15

LHCでのヒッグス粒子の生成• LHCでは、４つの物理過程でヒッグス粒子は生成される。
8 TeV

13 TeV𝒈𝒈 → 𝑯

𝜎𝑔𝑔→𝐻𝒈𝒈 → 𝒕𝒕𝑯

𝒒𝒒 → 𝒒𝒒𝑯

𝒒𝒒 → 𝑽𝑯

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ヒッグス粒子の崩壊
𝐻 → 𝑊𝑊/𝑍𝑍

𝐻 → 𝑓𝑒𝑟𝑚𝑖𝑜𝑛 𝑝𝑎𝑖𝑟

さまざまな生成・崩壊モード• さまざまな測定を行い、標準理論を検証している。
重心エネルギー13 TeV

𝐻 → 𝛾𝛾• 崩壊分岐比 (𝑚𝐻 = 125 GeV)ഥ𝑯 → 𝒃𝒃𝑯 → 𝝉+ 𝝉−

𝑯 → 𝝁+ 𝝁−

𝑯 → 𝒄ത𝒄57.7%

6.32%

0.022%

2.91%

𝑯 → 𝒈𝒈𝑯 → 𝜸𝜸𝑯 → 𝒁𝜸𝑯 → 𝑾𝑾

𝑯 → 𝒁𝒁𝚪𝐇 [𝐌𝐞𝐕]

8.6%

0.23%

0.15%

21.5%

2.64%

4.07

17

+ −

𝐻→𝜏 𝜏

ATLAS-CONF-2021-044（廣瀬）• ヒッグス粒子の生成過程ごと、𝜏粒子の崩壊過程ごと（e/𝜇/had）でサブチャンネル分け。
• 生成崩壊モードごとの断面積のほか、N(jet), Pt(H), m(jj)のビンに分けて微分断面積測定も。

18

+ −

𝐻→𝜇 𝜇• 第2世代フェルミオンへのヒッグス結合をはじめて直接観測できる。
• 生成過程ごとにチャンネル分けし、最後にコンバインして𝐻 → 𝜇𝜇過程を探す。
JHEP 01 (2021) 148

CMS :3.0𝜎の有意度で兆候が見えた！
（予想：2.5𝜎）
ATLAS :
2.0𝜎の有意度 （予想：1.7𝜎）
𝜎 𝐻 → 𝜇𝜇 < 2.2 × 𝜎𝑆𝑀

Phys. Lett. B 812 (2021) 135980

Run 3で観測を確立し、精密測定するこ19とが重要。

𝑉𝐻, 𝐻 → 𝑐𝑐
• 0,1,2 レプトンチャンネル。
• 多変量解析を用いたCharmタギング• #c-tag jetによりサブチャンネル分け。
𝑽𝑽 → 𝑽𝒄𝒄過程を測定して手法を検証

jet truth
flavor(mis-)Tagging
efficiency (%)

c27%

b8%

light

1.6%

𝑽𝑯 → 𝑽𝒄𝒄過程の探索結果

20

ヒッグス粒子の結合の精密測定• さまざまな生成、崩壊過程での測定をコンバインし、ヒッグス粒子結合を測定。
𝑔𝐹𝑚𝑒𝑎𝑠 = 2𝜅𝐹
𝑔𝑉𝑚𝑒𝑎𝑠 = 2𝜅𝑉

𝑚𝑓𝑣

2𝑚𝑉𝑣

21

ヒッグス粒子の結合
測定精度の変遷
2016年ごろの図（Run 1データ）

2019年ごろの図（Run 2データ）

現在の図（Run 2データ）

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ヒッグス粒子生成の微分断面積23荷電ヒッグス粒子を探すモチベーション◼
◼

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。

ヒッグス粒子だけ1種類しかない。。。

24

荷電ヒッグス粒子を探すモチベーション◼
◼

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？
多くのBSM理論で、荷電ヒッグス粒子𝐻 ± を含む複数のヒッグス粒子が予言されている。
e.g. 2HDM, 超対称性
25

MSSMへの制約（山内、佐藤）JHEP 06 (2021) 145• 𝐻 + は、重いトップやボトムクォークとの結合が強い。
– tbH結合を介して生成・崩壊するモードを探す。
• 信号事象：𝑡𝑏𝐻+ → 𝑡𝑏 𝑡𝑏 → ℓ 𝜈 + 𝑞𝑞′𝑏𝑏𝑏𝑏• ニューラルネットワークによる多変数解析。
得られたMSSMへの制約

ATLAS実験のさまざまなヒッグス粒子探索によるMSSMへの制約

現在、低𝑡𝑎𝑛𝛽領域で最も高い質量領域を棄却している解析

今後の予定（山内、廣瀬、佐藤）• 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。

27

荷電ヒッグス粒子によるレプトン・フ（和田、廣瀬）
レーバー非保存の探索• 新しい物理解析。
• LHCでのレプトン・フレーバー非保存の探索。
• まずは、バックグラウンドが少ない𝑒 ± 𝜇∓ チャンネルで探索する。
– 𝜏 ± ℓ∓ チャンネルでの探索も可能• Vector Boson Fusionの特徴的な前方ジェット対を持つ特徴的な信号。
• TeV領域の荷電ヒッグス粒子まで探索することが可能。

28ヒッグス自己結合測定

𝜅𝜆 =𝜆𝐻𝐻𝐻
𝑆𝑀𝜆𝐻𝐻𝐻• DiHiggs事象を探して解析する。
• DiHiggsは、２つのダイヤグラムの干渉が起こる。
• もし自己相互作用(𝜆𝐻𝐻𝐻 )がなければ、ＨＨ生成の断面積は２倍になる。
𝝀Expected event yields for 𝝀𝑯𝑯𝑯
𝑺𝑴 = 𝟏

ATL-PHYS-PUB-2014-019

29

DiHigg探索結果

ATL-PHYS-PUB-2021-031

データ量が増えた以外にも、解析手法の改善により感度が大きく向上した。
• サブチャンネルへの分割、多変量解析の導入、オブジェクト再構成の向上、．．．。
2015-2016データ

全Run 2データ

X3.8 improvement (x2.0 expected from L)

x4.6 improvement (x2.0 expected from L)

𝝈 𝑯𝑯< 𝟑. 𝟏𝝈𝑺𝑴30

𝜅𝜆 への制約−𝟏. 𝟎 ≤ 𝜿𝝀 ≤ 𝟔. 𝟔31

𝑋 → 𝐻𝐻探索の結果• 標準理論のDihiggs生成では、𝑚(𝐻𝐻)はピークを作らない。
• 重い新粒子があれば、 𝑚(𝐻𝐻)は鋭いピークを作るため、同じ解析で新粒子探索をすることができる。

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まとめ
• LHCは、２０１９－２０２１の長期シャットダウン中。
– Run 3、HL-LHCに向けて、加速器、検出器ともアップグレード中。
• LHCは、２０２２－２０２４に、Run3運転を行う。
– COVID-19のため、シャットダウンが１年延長になっている。
– 陽子エネルギーは、6.8 TeVに決定した。
• ２０１５－２０１８に取得したRun 2データを解析中。
– 本講演では、ATLAS実験の最近の物理成果のうち、以下のトピックを紹介した。
• 標準理論の検証• ヒッグス粒子の精密測定• 荷電ヒッグス粒子の探索• Dihiggs生成過程の探索
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backup34

LHC・ATLAS実験• 世界最高エネルギーでの素粒子実験。陽子・陽子衝突型加速器。
• 2019－2021 加速器と検出器のアップグレードのための長期シャットダウン中。
• 2022－2024 Run 3運転を予定。
– 𝐸𝐶𝑀 = 13.6 TeV (Run 1: 7 − 8 TeV、 Run 2: 13 TeV、 LHCデザイン： 14 TeV)

• Run 2(2015－2018)で取得した139 fb−1 データの解析– 標準理論の検証、新物理の探索– ATLASの論文数：全1018、Run 2:411、2021:46 (10月時点)

新しミューオンチェンバーの運搬が完了(11/4)。

さまざまな物理過程の生成断面積の測定。標準理論を検証している。

超対称性モデルのヒッグス粒子をさまざまな生成・崩壊過程で探索。

WWW候補事象の例

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STXS測定（𝐻 → 𝜏𝜏)37

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 + 𝑖𝜙2
Φ==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。
38

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。

+

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）• JHEP 06 (2021) 145

t𝑏ത

40

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,41

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。

42

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の例

43

+𝐻 → 𝑡𝑏探索

JHEP 06 (2021) 145• 信号事象：𝑡𝑏𝐻 + → 𝑡𝑏 𝑡𝑏 → ℓ 𝜈 + 𝑞𝑞′𝑏𝑏𝑏𝑏• イベント中のジェット数/bタグ数によりサブチャンネルに分けて解析。
– ℓ + 5𝑗3𝑏, ℓ + 5𝑗 ≧ 4𝑏, ℓ +≧ 6𝑗3𝑏, ℓ +≧ 6𝑗 ≧ 4𝑏
• ニューラルネットワークによる多変数解析。
荷電ヒッグス粒子の生成断面積の上限

44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

45Run 2でのDihiggs探索結果• まずはDihiggs事象を探している。
Dihiggs事象の生成断面積に対する上限

2019スライド

自己相互結合に対する制限−5.0 < 𝜅𝜆 < 12.1 𝑎𝑡 95% CL.

𝑺 → 𝒉𝒉事象の探索として、同じデータを解釈することもできる：(e.g. S=heavy Higgs)
46