ATLAS実験（ヒッグス粒子の物理の最新結果から）

2020/6/15 宇宙史研究センター成果報告＆交流会

廣瀬茂輝(素粒子実験研究室)

2/19■ 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 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

■ ヒッグス粒子の性質を決める

3/19• ヒッグス粒子は素粒子質量起源に深くかかわる– ヒッグス機構によってウィークボソン（𝑊、 𝑍）が質量を獲得– 湯川相互作用を通じてクォークと荷電レプトンに質量が付与される→ 「2012年に発見されたボソン」をプローブに、これらの機構を検証する！

• ヒッグス場の相互作用
𝐿SM = ⋯+ 𝐷𝜇 Φ

†𝐷𝜇 Φ22††−𝜇 Φ Φ − 𝜆 Φ Φ−𝜓ത𝐿 𝑌Φ𝜓𝑅 − ℎ. 𝑐.

ヒッグス粒子と弱ボソンとの相互作用
ヒッグス粒子の質量・自己結合

ヒッグス粒子とクォーク、レプトンとの湯川相互作用

生成断面積などの測定量からそれぞれの項の係数を決定していく4/19■ LHC・ATLASのRun 2運転
Run-2全データセット

Higgs粒子発見時（2012年）

Luminosity Public Plots

Phys.Lett. B716 (2012) 1-29

ATLAS-CONF-2019-025• Run 2運転 @ 13 TeVが2018年に終了– データ収集効率89%を記録 → 安定したデータ収集を実現した• 大量のデータによりヒッグス物理が大きく進展– ヒッグス粒子の数：5×105（Run 1）から8×106個（Run 2）に→ Run 1のときより複雑で精密な測定が可能に

ヒッグス粒子の発見から、その性質を理解する時代へ

5/19

∗

■ 𝐻 → 𝑍𝑍 → 4ℓ（ℓ = 𝑒, 𝜇）

arXiv:2004.03969 (submitted to EPJC)• きれいに再構成できる崩壊モード– 崩壊分岐比は小さい： BR 𝐻 → 𝑍𝑍 ∗ × BR 𝑍 → ℓℓ

2= 1.2×10-4• 微分断面積を測定可能– 未知相互作用があると高運動量（𝑝T > 100 GeV）に影響が出る– 現状では標準模型予想と無矛盾だが、精度はまだ不十分

ヒッグス粒子の信号

6/19■ ヒッグス粒子質量測定• 𝐻 → 𝑍𝑍 ∗ → 4ℓによる質量測定
𝑚𝐻 = 2𝜆𝑣

ATLAS-CONF-2020-005

真空期待値𝑣 = 246 GeV：
ミュー粒子寿命から精度よく与えられる– 𝜆（ヒッグスポテンシャルの形を決めるパラメーター）が決まる• 精度良く測定するための工夫– 𝑍質量の制約をかけて、レプトン対運動量の精度を向上– 回帰型ニューラルネットワークによる質量分解能見積もり

𝑚𝐻 = 124.92 ± 0.19 stat +0.09−0.06 (syst) GeV（現在の世界平均： 125.10 ± 0.14 GeV ）■ 𝐻 → 𝑏𝑏• 崩壊分岐比58% → ヒッグス崩壊の中で最大– ただし、QCD由来の背景事象に強く影響される→ ウィークボソンを伴う”レア”な生成過程のみを利用する• 2018年に5σの有意度で観測 → 𝐻-𝑏結合の確立– データ量1.75倍で微分断面積測定↑背景事象差し引き前

7/19
ATLAS-CONF-2020-006

■ 𝐻 → 𝑏𝑏：高運動量を狙った解析

8/19
ATLAS-CONF-2020-007• ヒッグス粒子が高運動量になると、再構成効率が激減する

𝐻
低運動量の場合

𝐻

これを1つの巨大なクォークジェットとみなして再構成

高運動量の場合（𝑝T > 300 GeV）~• 新しい手法でも、約2σの有意度で信号を観測– 𝑝T > 250 GeVを2領域に分割して断面積を測定

■ ヒッグス粒子統合解析

9/19
Phys. Rev. D 101, 012002 (2020)• すべてのヒッグス粒子測定結果を統計解析• Run 2運転の間に、複数の生成・崩壊過程の発見に至った– ただし、新物理の効果はO(1%)の寄与である可能性が高いので、もっと精度を上げる必要がある★はRun 2中に発見された過程や結合7月下旬の国際会議でRun 2全データの結果を公表予定

10/21

実験装置を動かす

Photo: ATLAS Blog (23 June 2017)■ SemiConductor Tracker (SCT)

11/19

バレルモジュールの例
768ストリップ（×両面）

6x2 ASICsSCT (バレル)
合計4088モジュール（6,279,168ストリップ）

SCT (エンドキャップ)• バレル4層＋エンドキャップ9ディスク×2• 大きな体積をカバー– pT分解能などの観点で重要な検出器2 x FEリンク

S-リンク

ATLAS
Trigger
System

ROD~32モジュール
triggerを処理

■ 現場での作業・研究

12/19• 約10名がCERNに常駐し、Run 3に向けた準備などを行っているた– 壊れた部品の交換– 定期的なセンサーの基礎特性測定– ソフトウェア開発などで、CERN外からの参加も5～10名ほど• 筑波をはじめ、日本グループが大活躍

■ シャットダウン期間中にやるべきこと

13/19

SCT-2017-004• システムはRun 2運転中に確立しており、大きな変更はしない• 激しい放射線損傷が問題– 1 MeV中性子換算で最大6×1013/cm2を受けている– 漏れ電流は当初に比べて10万倍に増加• Run 3を走り切るために入念な準備が必要！
– いまの検出器の状態を理解する → 現在のSCTの性能評価

■ ヒット検出効率の測定

14/19
SCT-2019-002• ヒット検出効率は、もっとも重要なSCTのパラメーター– 荷電粒子をセンサーが検出する確率

𝑁hit
𝜀=
𝑁hit + 𝑁hole– 精度良い飛跡検出のためには、合計4層8枚のセンサーすべてで高確率で信号を検出する必要がある

Run-2最終年（2018年）でも、概ねヒット検出効率 >99%を維持できていた15/19■ 漏れ電流SCT-2019-002• 2010年の実験開始当初より継続的にモニター– 2016-2018年には毎年300-400 μAずつ増加– シミュレーションによる予想と30%以内の誤差で一致→ SCT付近の放射線量をよく理解できている証拠• 漏れ電流の印可電圧依存性 → 完全空乏化電圧の見積もり– 内層ほど𝑉FD が高い傾向がはっきり見えている
𝑉FD ?

内層外層

16/19■ 完全空乏化電圧の見積もり

SCT-2019-001

Barrel 3（最内層）𝑉FD ?

ヒット検出効率漏れ電流• 様々なパラメーター（ヒット検出効率、漏れ電流、 … ）から𝑉FD
見積りを進行中– 印可電圧に対する応答を見る → 測定量の変化がフラットになったあたりが𝑉FD• ヒット検出効率 > 99%を得るための電圧は𝑉FD 予想より高い– 最大印可電圧は500 Vなので、運転上は問題なさそう– シリコンセンサーの放射線損傷に関する研究としても興味深い17/19■ 他の検出器の様子
New Small Wheelｄ

Run 2のグラニュラリティー

Run 3: 10倍のグラニュラ
リティ― （スーパーセル）

昨年12月に最初のセクターをインストール！

• カロリメーター：読み出し回路の一新– 今までの10倍のグラニュラリティーをハードウェアトリガーで使用→ オブジェクト（ジェット、光子、...）の情報まで使うことで、より効率的にトリガーを発行する• ミューオン検出器：NSWをインストール– 2層から8層に増加 = 飛跡を追えるようになる→ 衝突点から離れて生成された荷電粒子を効率よく落とす

■ COVID-19の影響• 3/17-5/16の間、CERN研究所が閉鎖された– 物理解析への影響は最小限– アップグレード作業への影響は大きい（世界中の大学・研究所がほぼ閉鎖）• 現在も限られた作業のみが許可されている– 今後少しずつ入構者数を増やし9月下旬からの完全再稼働– 先月のATLAS統合テストは完全リモートで行われた
いまココ↓

最終的に200 fb-1前後のデータ収集を目指す

18/19

■ まとめ• Run 2運転（2015-18）の全データによるヒッグス粒子の解析が進行中– まだ一部しか結果が出ていない → 今年7月の国際会議で様々な結果が発表される予定– 微分断面積測定による新物理の効果の検証が今後重要になる• Run 3運転（2021-24）に向けた準備状況– SCTのメンテナンスや性能評価に筑波大学が大きく貢献– 他の検出器アップグレードも進行中• Run 3運転のその後...
– ルミノシティーを3倍以上に引き上げた高輝度LHCが2027年より開始• ヒッグス-フェルミオン結合をO(1%)で測定できる– シリコン検出器は総取り換え• 本番用検出器の製作が始まりつつある（筑波大学も大きく貢献）

19/19