ATLAS実験でのトップクォークとボトムクォークに崩壊する
荷電ヒッグス粒子の探索
Search for a Charged Higgs Boson at the ATLAS Experiment

佐藤構二
宇宙史センター構成員会議
2018/11/22（木）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。
2021-2023年 Run 3。Ecm=14 TeV , ～300 fb-1のデータセット。
ジュネーブ市街
2026-203X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•••••••

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3オン衝突…

Luminosities in Run 2
Run 1

𝑬𝑪𝑴 (𝐓𝐞𝐕)

integ lumi
[fb-1]

2011

7～5

2012

8～21

本講演の物理解析では、2015～2016年に取得した36.1 fb-1 を使った。
Run 2全体では、物理に使えるのは~128 fb-1 。

𝑬𝑪𝑴 = 𝟏𝟑 (𝐓𝐞𝐕)
Peak lumi
E34 cm-2s-1

Days
pp physics

Recorded integ lumi
[fb-1]

累積
Recorded lumi [fb-1]

2015

0.5

56

3.93.9

2016

1.4

122

36.039.9

2017

1.9

15046.986.8

20182.1

15262.2148.8

Run 2Run 242018年夏のハイライト
𝐻𝑏𝑏崩壊モードを観測 (5.4𝜎)𝑡𝑡𝐻生成過程を観測 (6.3𝜎)

本多俊介氏(2018年3月Ph.D)• 2019年物理学会若手奨励賞• 第20回高エネルギー物理学奨励賞

ヒッグス粒子の結合の測定
Run 1

Run 2 (36.1-79.8 fb-1 )5

Top Spin Correlation

No spin correlation

SM pred.

• 𝑡𝑡 → 𝑊𝑏 𝑊𝑏 → (𝑒𝜈𝑏)(𝜇𝜈𝑏)• 𝑒と𝜇の間の角度相関。
• SM(NLO QCD)の予言値よりも強い相関がみられた。
•テンプレート・フィット
𝑛𝑖 = 𝑓𝑆𝑀 ⋅ 𝑛𝑠𝑝𝑖𝑛 + 1 − 𝑓𝑆𝑀 ⋅ 𝑛𝑛𝑜𝑠𝑝𝑖𝑛
フィット結果：𝑓𝑆𝑀 = 1.250 ± 0.026 ± 0.063• SMからのずれ： 3.2σ (syst込み)

6荷電ヒッグス粒子の探索
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– 永田和樹- Ph.D. in Dec 2016
– JHEP 03 (2016) 127
Run 2 (36.1 fb-1)– 萩原睦人- Ph.D. in Feb 2018
– JHEP 11 (2018) 085

7荷電ヒッグス粒子を探すモチベーション• 多くのＢＳＭモデルでは、ヒッグス機構を拡張する。 ほとんどの場合、荷電を持ったヒッグス粒子 𝐻 + 、𝐻 − の存在が期待される。
• 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• ヒッグス・ダブレットを2つ入れたら、、、（2HDM、MSSMの例）
𝐻𝑢+𝐻𝑑0H𝑢 =, H𝑑 =0𝐻𝑑−𝐻𝑢– 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 −8

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。
– 𝑡𝑏𝐻 + 生成
• 𝑚𝐻 + ≥ 200 GeVでは、𝐻 + → 𝑡𝑏崩壊の分岐比が大きい。
崩壊分岐比 ＭＳＳＭ（𝒎𝒎𝒐𝒅+シナリオ） の例
𝒉9解析チャンネル−+• 𝑡𝑏𝐻 + → 𝑡𝑏 𝑡𝑏 → 𝑊 𝑏 𝑏 𝑊 𝑏 𝑏• ２つの𝑊の崩壊モードによって、異なった終状態の解析チャンネルにわける。
– ℓ + 𝑗𝑒𝑡𝑠チャンネル： ℓ𝜈 + 𝑞𝑞′4𝑏– Dileptonチャンネル： ℓ𝜈ℓ𝜈 + 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
• 𝑑𝑖𝑙𝑒𝑝𝑡𝑜𝑛: ℓℓ +≧ 4𝑗3𝑏, ℓℓ +≧ 4𝑗 ≧ 4𝑏
• バックグラウンド： 𝒕𝒕 + 𝒋𝒆𝒕𝒔, ： 𝑡𝑡 + 𝑉, single top, 𝑉 + 𝑗𝑒𝑡𝑠, 𝑡𝑡ℎ, multijets

10解析チャンネル−+• 𝑡𝑏𝐻 + → 𝑡𝑏 𝑡𝑏 → 𝑊 𝑏 𝑏 𝑊 𝑏 𝑏• ２つの𝑊の崩壊モードによって、異なった終状態の解析チャンネルにわける。
– ℓ + 𝑗𝑒𝑡𝑠チャンネル： ℓ𝜈𝑞𝑞 + 4𝑏
– Dileptonチャンネル： ℓ𝜈ℓ𝜈 + 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
• 𝑑𝑖𝑙𝑒𝑝𝑡𝑜𝑛: ℓℓ +≧ 4𝑗3𝑏, ℓℓ +≧ 4𝑗 ≧ 4𝑏• バックグラウンド： 𝒕𝒕 + 𝒋𝒆𝒕𝒔, ： 𝑡𝑡 + 𝑉, single top, 𝑉 + 𝑗𝑒𝑡𝑠, 𝑡𝑡ℎ, multijets

筑波大グループは、主にℓ + 𝑗𝑒𝑡𝑠解析を行った。
以後、 ℓ + 𝑗𝑒𝑡𝑠にフォーカスします。

11

𝑗𝑒𝑡
𝐻𝑇 分布(ℓ +jetsチャンネル)𝑗𝑒𝑡• 𝐻𝑇 : イベント中のジェットのPtのスカラー和。

12

ＢＤＴ変数(ℓ +jetsチャンネル)• よりよいS/B分離のために、BDTをトレイニングした。
– 全11変数。
𝑗𝑒𝑡𝑠– もっとも効く変数は𝐻𝑇 , 次いで𝑃𝑇 (𝑗1 )。
– S/B分離が難しい低質量領域（𝑚𝐻 + ≤ 300 GeV）では、キネマティック
スとbタグ情報に基づき、「信号らしさ」を評価するDiscriminantを追加（１２変数）。

13

ＢＤＴによるS/Bの分離

14データのBDT分布 （ℓ + 𝑗𝑒𝑡𝑠）• 𝑀𝐻 + = 300 GeVの信号に対してトレーニングしたＢＤＴの例。

• バックグラウンドとよく一致している。
15

データのBDT分布 （dilepton）• 𝑀𝐻 + = 300 GeVの信号に対してトレーニングしたＢＤＴの例。

• バックグラウンドとよく一致している。
16

荷電ヒッグス粒子に対する制約• 荷電ヒッグス粒子の信号は見つからず、データはバックグラウンドとよく一致した。
生成断面積に対する制約

ＭＳＳＭ（hMSSMシナリオ）に対する制約

17

𝐻 + → 𝜏𝜈チャンネルとの比較• 𝐻 + → 𝜏𝜈チャンネルとは、感度のある領域が異なるため、ＭＳＳＭの解析という意味でも相補的といえる。

18

結論• ＡＴＬＡＳ実験では、2015－2016年に取得した重心系エネル
ギー13 TeVでの陽子・陽子衝突事象（36.1 fb−1 ）を用いて、𝐻 + → 𝑡𝑏崩壊をする𝐻 + を探索した。
• データはＳＭバックグラウンドとよく一致した。
• 200-2000 GeVの質量域の𝐻 + に対して、生成断面積に対する上限を評価した。
+– 𝜎 × 𝐵𝑟 < 2.9 0.070 pb for 𝑚𝐻= 200 2000 GeV• MSSMに制約を与えた。
– hMSSMシナリオで、0.5 < tan 𝛽 < 1.95, 200 < 𝑚𝐻 + <965 GeV の範囲の一部を棄却した。

19

バックアップ

20

LHCの長期将来計画
Run 2

Run 3

HighLumi-LHC

21

Luminosities in Run 2
Run 1

𝑬𝑪𝑴 (𝐓𝐞𝐕)

integ lumi
[fb-1]

2011

7～52012

8～21

本講演の物理解析では、2015～2016年に取得した36.1 fb-1 を使った

𝑬𝑪𝑴 = 𝟏𝟑 (𝐓𝐞𝐕)
Peak lumi
E34 cm-2s-1

Dayspp physics

Recorded integ lumi
[fb-1]

累積
Recorded lumi [fb-1]

2015

0.556

3.93.9

2016

1.4

122

36.039.920171.915046.986.8

20182.115262.2148.8

Run 222

ヒッグス粒子の結合の測定
Run 1

Run 2 (36.1-79.8 fb-1 )23

Top Spin Correlation• 𝑡𝑡 → 𝑊𝑏 𝑊𝑏 → (𝑒𝜈𝑏)(𝜇𝜈𝑏)• 𝑒と𝜇の間の角度相関。
• SM(NLO QCD)の予言値よりも強い相関がみられた。
𝑓 = 1.250 ± 0.026 ± 0.063• SMからのずれ： 3.2σ

24

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。
25

過去の結果• ２０１６年夏(Run 2)のＡＴＬＡＳの結果• 今回は、– データ量を約3倍に増加： 13.2 fb−1 → 36.1 fb−1
– 探索質量範囲を200 − 2000 GeVに広げた。
– ℓ + 𝑗𝑒𝑡𝑠チャンネルに 加え、dileptonチャンネルも解析に加えた。
26

物理オブジェクトの再構成• Leading lepton– 𝑒: 𝑃𝑇 > 27 GeV, 𝜂 < 2.47
– 𝜇: 𝑃𝑇 > 27 GeV, 𝜂 < 2.5• 2nd lepton (dileptonチャンネル)– 𝑒 or 𝜇: 𝑃𝑇 > 10 GeV (𝑃𝑇 > 15 GeV for dielectron event)• Jet: 𝑃𝑇 > 25 GeV, 𝜂 < 2.527

解析サブチャンネルのイベント数と、バックグラウンドの内訳
L+jetsDilepton28𝑗𝑒𝑡𝐻𝑇 分布（𝑑𝑖𝑙𝑒𝑝𝑡𝑜𝑛）

29

30

BDT Variable list

Discriminant 𝐷• 信号とバックグラウンドの分離が非常に悪い𝑚𝐻 + ≤ 300 GeV
でだけ、Discriminantを組んだ。 𝑋 = 𝑀 − 𝑀 (𝐻 → 𝑏𝑡 → 𝑏(𝑏 𝑞𝑞)崩壊イベント)
𝐻ℎ𝑏𝑏ℎ 𝑞𝑞

𝑏ℎ 𝑞𝑞+ℎ

𝑋𝐻ℓ = 𝑀𝑏𝑏ℓℓ𝜈 − 𝑀𝑏ℓℓ𝜈 (𝐻 + → 𝑏𝑡 → 𝑏(𝑏ℓ ℓ𝜈)崩壊イベント)
𝑋𝑡ℎ = 𝑀𝑏ℎ 𝑞𝑞 − 𝑀𝑞𝑞

イベントkinematicsの信号らしさ：

Btag情報の信号らしさ：

𝑃 𝑥 ：変数𝑥のPDF (MC study)

𝑃𝑏 𝑗𝑒𝑡𝑖 : 𝑗𝑒𝑡𝑖 のb-taggingスコアのPDF (MC study)

イベントの信号らしさ：

Discriminant定義

31

Discriminant 𝐷によるS/B分離• 信号とバックグラウンドの分離が非常に悪い𝑚𝐻 + ≤ 300 GeVでだけ、Discriminantを組んだ。

32

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

• Legendre polynomial:

33

Systematic Uncertainties•

μ=σ(pp → H+) × B(H+→ tb)のベストフィット値：
μ(mH+=200 GeV)= -0.4 pb / μ(mH+=800 GeV)= -0.02 pb
に対して：

34

𝐻 + → 𝑡𝑏 2016夏と2018夏の結果比較
２０１６２０１８• ℓ + 𝑗𝑒𝑡𝑠のみ• Kinematic variablesによる多変数解析(BDT)• (ℓ + 𝑗𝑒𝑡𝑠) + dilepton• ℓ + 𝑗𝑒𝑡𝑠の寄与が大• ベースは多変数解析(BDT)• 𝑚𝐻 + <300 GeVでは、pseudo-continuous b-tagも含めたＤｉｓｃｒｉｍｉｎａｎｔをBDTインプットした。

35ATLAS hMSSM summary plot

36