ATLAS実験からの最近の結果とRun 3運転の状況
2022/6/24 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)

■ 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
24-June-2022

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■ ATLAS実験の状況

ヒッグスの物理~500k Higgs↑
ヒッグス発見！

「精密測定」へ（様々な生成・崩壊過程を観測）↑
現在• より稀な過程の探索~8M Higgs• 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

SUSYなどの探索~1 TeVまで棄却~2 TeVまで棄却•••

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）• 実験休止期間（LS2）が終了し、Run 3が始まりつつある

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■ ヒッグス粒子の物理

ATLAS-CONF-2021-053

観測済み（精度 < 20%）https://indico.cern.ch/event/1135177/• 今年はヒッグス粒子発見から10周年– 7/4にCERNで記念シンポジウムが開催される予定• この10年で、ヒッグス粒子への理解は大きく進展した– 他の素粒子への結合の精密な理解– ヒッグス粒子の力学分布や、質量などの基本的物理定数の決定– ヒッグス対生成探索によるヒッグスポテンシャルの理解• 「精度を高める」のもとても大事– 新物理により結合定数が1-10%変わるかも？ T. Barklow et al., PRD 97, 053003 (2018)
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■ 𝐻 → 𝜏𝜏の最新結果• Run 2期間に収集された全データによる結果を公表 arXiv:2201.08269– 廣瀬が解析のコアメンバーとして貢献した• 本解析では、𝑍 → 𝜏𝜏背景事象の抑制が重要となる– 𝑚𝑍 = 91.2 GeVは𝑚𝑍 = 125.3 GeVと近い– 終状態が信号と全く同じ– 生成断面積が莫大• 𝜎(𝑍) = 58 nb( 𝑠 = 13 TeV)
• 𝜎(𝐻) = 0.048 nb

𝑍 → 𝜏𝜏
𝐻 → 𝜏𝜏
(信号)• 𝑍 → 𝜏𝜏抑制の工夫– 𝑍事象が少ない力学的領域に集中する• ヒッグス粒子の方が高運動量になりがち– 機械学習による信号と背景事象の分類
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Phys. Rev. D 99, 072001 (2019)5/22

■ 機械学習の適用• LHCでのヒッグス粒子生成過程のうち、ベクターボソン融合過程をターゲットに機械学習を適用

生成過程

断面積 [pb]

グルーオン融合 (𝐻)48.5

ベクターボソン融合 (𝐻𝑗𝑗)

3.8

ベクターボソン随伴生成 (V𝐻)
ҧトップクォーク随伴生成 (𝑡 𝑡𝐻)

2.3
0.5

– グルーオン融合に対して断面積は10%以下だが、2つのジェットの特徴を引き出せば背景事象を抑制できる• Boosted Decision Treeにより信号 vs 背景事象を分類– 2個のジェットの4元運動量や互いの相関を入力変数として選んだ
信号（ベクターボソン融合過程）𝑞

𝑍 → 𝜏𝜏事象
Jet𝑞

𝜏−

𝜏−𝑍

𝜏+

𝐻
Jet

𝜏+𝑞
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Jet𝑔Jet6/22

■ 測定結果
τペア不変質量測定結果

全信号領域

機械学習で分類後のS/Bが最も良い領域• はっきりと信号が見えた！
– 13%の精度で生成断面積を測定（統計誤差は10%を切っている）– 4つの生成過程を独立に測定し、すべて標準模型予想と一致した• 単なる生成断面積だけでなく、様々な「性質」を測定できる– 微分断面積測定 → 現在進行中– CP測定 → 次に紹介します
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■ ヒッグス粒子のCP固有値• 標準模型では、ヒッグス粒子のCP固有値は+1– 純粋なCP固有値 = -1である可能性は実験的に否定されている– しかし、CP = +1とCP = -1の混合状態はあり得る→ 新たなCP対称性の破れの起源かも？
𝑚𝜏ℒ=−
𝜅 cos 𝜙𝜏 𝜏𝜏ҧ + sin 𝜙𝜏 𝜏ҧ 𝑖𝛾5 𝜏 𝐻𝑣 𝜏𝑞𝜏−𝑊, 𝑍𝑊, 𝑍𝑞′

𝐻𝜏+τレプトンは0.3 psの寿命で崩壊する
ので、その崩壊物の角度分布からCPを測れる• 𝐻 → 𝜏𝜏を使うことの利点– 崩壊分岐比が比較的大きいので、信号統計を稼げる– CP = -1状態が𝐻-𝜏結合に特有な場合は𝐻 → 𝜏𝜏を使う必要がある
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■ 𝐻 → 𝜏𝜏のCP破れ測定

ATLAS-CONF-2022-032

2個の𝜏が両方とも
𝜏 − → 𝜋 − 𝜋 0 𝜈𝜏 に崩壊した場合

φτ = 45°φτ = 0°φτ = 90°• 測定方法– τレプトンの崩壊物から、2個のタウレプトンを特定する– タウレプトン崩壊物の静止系で、𝜏レプトン崩壊面を張る∗– 崩壊面同士の角度𝜙𝐶𝑃を測定する → これが𝛼に感度のある測定量• τレプトンの崩壊モードごとにニュートリノ数や運動量の測定精度異なるため、それぞれ異なる解析をする必要がある
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■ 𝐻 → 𝜏𝜏のCP破れ測定

ATLAS-CONF-2022-032

信号領域のうち4つ1つ1つの領域で見ても、αの違いは統計的ふらつきに完全に埋もれてしまう• 感度の異なる24の信号領域から、わずかな振幅の違いを統計解析によって絞り出す、非常に難易度の高い解析
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■ 𝐻 → 𝜏𝜏のCP破れ測定

ATLAS-CONF-2022-032• 測定結果𝜙𝜏 = 9 ± 16°, 純粋なCP = -1仮説を3.4σ（99.9%信頼度）で否定– 期待値よりもよい精度が出たが、統計のふらつきの範囲内– 統計誤差が支配的であり、今後のRun 3～高輝度LHCで重要な解析
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■ Run 3に向けた準備状況• 2022年からの運転再開に向けて準備が進行中– COVID-19の影響や高輝度LHC用アップグレードの遅れにより、開始をLonger term LHC schedule
1年、終了を2年遅らせた（合計4年間に）– 𝑠 = 13.6 TeVに決定– 𝐿peak = 2×1034/cm2/s （Run 2と同程度）

𝐿 2×1034/cm2/s– 4年間でRun 2の2倍以上のデータ収集を目指す
ATLAS検出器のアップグレード• LArカロリメーターのエレクトロニクス交換• 新しいミューオン検出器の導入𝑡「レベリング」で積分ルミノシティーを稼ぐ

Level 1（ハードウェア）トリガーを改良する
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■ ミューオン検出器アップグレード
sTGC (8層)

本物のミューオン
偽ミューオン→ NSWとのマッチ
ングで落とせる

Micromegas (8層)

• 新しいミューオン検出器を追加・交換– Small WheelをNew Small Wheel (NSW)に交換（ATLAS Phase-1アップグレード最大のプロジェクト）– 複数レイヤーで”トラッキング”できるよう→ 偽ミューオンによるトリガーレートを抑制する
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■ 新しいミューオン検出器の実装
製作サイト

ATLAS検出器がある場所• 2台のNSWの製作が完了！
– 製作サイトからATLAS検出器まで、1 km以上をトラックをつかって低速で輸送– クレーンで地下100 mに降ろし、設置

ALAS News 4 November 2021

• 現在、コミッショニングが進行中– 900 GeV衝突でミューオン飛跡再構成に成功！
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14/22

■ カロリメータ用ボードの交換• LArカロリメータ用後段ボードを3年がかりで交換– 1,500枚以上のボード交換を含む、かなり大変な作業– カロリメータのより正確な測定をハードウェアトリガーで利用可能に– Run 2まで使っていた古いトリガー回路も使える→ 2022年はこちらを使いながら新しい回路を調整、来年以降に本格的に使う• 新しい回路の恩恵– 古い回路よりも10倍のデータを処理可能に– エネルギー測定精度向上により、ハードウェア―トリガーで粒子の種類（ジェット、τレプトン、電子etc.）を粗く判定可能に

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■ SemiConductor Tracker (SCT)• 筑波大は、SCT運転に大きな貢献をしている
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)• 大きな体積をカバーするシリコンストリップ検出器– pT分解能などの観点で重要• Run 3に向けた大きなアップグレードはしない– メンテナンス作業＆放射線損傷の理解が主なタスク
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■ SCT Run 2運転 (2015-18)
SCT-2019-002

CERN webpage

Run 2運転期間

設計値• Run 2の環境はSCTにとってとても大変だった– 想定の2倍のルミノシティー → データをロスなく取るためのDAQ改善– 激しい放射線損傷: 漏れ電流はRun 2当初の10倍以上に→ 状況に応じた運転パラメーターの調整が必要となった– 同時に、𝑝+ -on-𝑛センサーの興味深い特性が見えている• 現在のSCTの状況を正確に理解し、Run 3運転に備える– SCT Run 2まとめ論文を公表 JINST 17 (2022) P01013
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■ 荷電粒子検出効率• 検出効率はバンチトレインの先頭バンチで測定できる
Triggered– “01X”（トリガーされた1個前のバンチにはヒット...
がない）の要求のため、偶然2バンチ連続できたヒットは捨てられてしまう
このバンチの同じストリップにヒットが→ 先頭バンチではそれがないあると、真のヒットも捨てられる• 先頭バンチで>99%、全バンチで>97%の検出効率
高パイルアップ下でも高い検出効率を維持できていた
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18/22

■ シリコンバルクの型変換• SCTは𝑛バルク → バルク損傷により𝑝バルクに変換する– 実効アクセプター濃度が上昇するため– ~2×1013 𝑛eq/cm2で型変換 → 最内層では2016年ごろにあたる• 実際に型変換の影響が様々な指標が見えている– 例: 検出効率のバイアス依存性の立ち上がりが緩やかになる
型変換後は常に完全空乏化電圧（𝑉FD ）以上のバイアスをかけ続けないといけない
24-June-2022

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■ Run 3運転への展望
最内層の場合 最大~150 V 最大~2.5 mA• 電源システムは450 V・5 mA/moduleが上限– Run 2まで、測定値と予想値はよくあっている→ Run 3終了まで外挿すると 最大で𝑉FD ~150 V、𝐼leak ~2.5 mAいずれも問題ない• ただし、検出効率 > 99%を維持するには𝑉FD (予想)×2が必要？
– TCADによる正確な理解を目指した研究を続けている 和田, 2021秋物理学会
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■ Run 3運転がいよいよスタート！
6.8 TeV/ビームが出ている！

• ～3月まで、宇宙線を使ったコミッショニングを随時行ってきた• 4/22より、正式にLHC Run 3運転開始– 6.8 TeV/ビームも達成• 5/27-29に900 GeVでの衝突– Run 3で初めて、stable beamを使った衝突を行った• SCTもLS2後の調整を完了し、99%以上の検出効率を確認
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■ まとめ• ATLAS実験における最近の結果– まだまだRun 2データの徹底解析が進行中→ 特殊な解析を除いて、来年春までにすべて完了する– Run 3データの解析に向けた準備や、初期に公表する解析戦略の議論も進んでいる• Run 3運転が4/22にスタート– ATLAS検出器のコミッショニングが進行中– COVID-19や高輝度LHCに向けたアップグレードの状況から、スケジュールが確定した• 2022-2025の4年間で約300 fb-1を収集する（Run 2の2倍以上）• エネルギーが13.6 TeVに、少しだけ引き上げられる→ ヒッグス粒子などの断面積が約10%増加– 13.6 TeVでの初衝突を7/4に予定→ その後、本格的なデータ収集を開始予定！
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