ATLAS実験の最近の物理結果から

佐藤構二
宇宙史センター 構成員会議
2019年１１月１８日（月）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
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

LHCの長期将来計画

3

Accelerator LS2 Upgrades•

2019-2020: Long Shutdown (LS2) preparing for Run 3 in 20212023.

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 Hinstead 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, …

4••
•
•
•
••

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5
オン衝突…

ATLAS LS2 Upgrades

L1 Calo Trigger Upgrade

読み出しを細分化することで、他バンチのヒットの影響を減らす。

New Muon Small Wheel
For L1 Trigger

内層に新しいトリガーチェンバーを入れる。

arXiv:1810.01394

Improvement on Jet and MET triggers, too.
Nucl.Instrum.Meth. A824 (2016) 374-378

FTK Upgrade – new track trigger in L2 trigger.
TDAQ Upgrade
6

Luminosities in Run 2
Run 1

𝑬𝑪𝑴 (𝐓𝐞𝐕)

integ lumi
[fb-1]

2011

752012

821𝑪𝑴Peak lumi
Run 2 E34 cm-2s-1

Run 2Days
pp physics

Recorded integ lumi
[fb-1]

Good for Physics [fb-1]
累積20150.5563.93.2

2016

1.412236.0362017

1.915046.980

2018

2.1

15265.01397

標準理論の大成功

15桁にわたって、理論＝実験がよく合っている。

8

Top Spin Correlation
２０１８年１１月
宇宙市センター構成員会議

No spin correlation

SM pred.

•• と 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
𝑛 =𝑓 ⋅𝑛+ 1−𝑓⋅𝑛

フィット結果：𝑓 = 1.250 ± 0.026 ± 0.063• SMからのずれ： 3.2σ (syst込み)

9

Top Spin Correlation CMSの分布
arXiv:1907.03729

No spin correlation

SM pred.

10

Top Spin Correlation 今年の夏のアップデート• NLO QCD+EWKはデータをよく再現する。
• 理論計算の精度が足りていないせいと結論できるか。
11

ヒッグス粒子発見の発表

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.

∗

現在では、
∗チャンネルは大量の候補事象。

ATLAS-CONF-2019-032

ATLAS-CONF-2019-025
13ヒッグス発見チャンネルの現在(2)∗現在では、∗ チャンネルは大量の候補事象。

ATLAS-CONF-2019-032

ATLAS-CONF-2019-025

微分断面積を測定し、ヒッグス粒子事象の精査を続ける。

14LHCでのヒッグス粒子の生成• 生成断面積
13 TeV

8 TeV

→

15

ヒッグス粒子の崩壊
さまざまな生成・崩壊モード• さまざまな測定を行い、標準理論を検証できる。
重心エネルギー8 TeV⇒13 TeV• 生成断面積は、2-5倍。
• Ｒｕｎ２では、たくさん作って様々なチャンネルで精密測定する。

• 崩壊分岐比57.7%)
6.32%

0.022%

2.91%
𝐇

8.6%

0.23%

0.15%

21.5%

2.64%

4.07

16

Run1での信号の有意度

3年ほど前のスライドからＡＴＬＡＳ、ＣＭＳ個別3σ：”兆候が見えた“5σ：“発見した”•••メインの生成・崩壊過程の多くはRun 1で発見がすんだ。
ttH生成、はRun2で検証していく。
ＬＨＣ Run 2では、一個一個の過程の理解を確立し、精密測定に入っていく。

ＡＴＬＡＳ＋ＣＭＳ

17ATLAS-CONF-2015-044

Run1での信号の有意度

ＡＴＬＡＳ、ＣＭＳ個別

3σ：”兆候が見えた“5σ：“発見した”

5.3
5.8ttH生成
5.8 σ Observation

𝑯 → 𝒃𝒃崩壊
5.3 σ Observation• ゲージボソンと第三世代との結合は確立できた。
• 第2世代との結合、見えるか？
ＡＴＬＡＳ＋ＣＭＳ

18ATLAS-CONF-2015-044

Search for

ATLAS-CONF-2018-026• 第３世代（)との湯川カップリングは確認できた。
• 第2世代粒子との湯川カップリングの発見を目指す– VBFに特化した信号領域を定義して解析感度を向上• 前後方dijet, high m(jj) ＝＞ VBFチャンネル
gg-fusion生成

all candidates(ggF+VBF)

Vector Boson Fusion生成

VBF channel:

信号強度
𝜇=

(𝜎 × 𝐵𝑟 → )(𝜎 × 𝐵𝑟 → )= 0.5 ± 0.7

信号強度のリミット：

19

Higgs Coupling Measurement

Run 1 full data (CMS)

𝑔= 2𝜅

𝑔= 2𝜅

現在

20

JHEP 0811 (2008)

Vector Boson Scattering Processes•

Vector boson scattering involves– Triple and Quadratic Gauge Couplings– Higgs restores unitarity at high energies
Background21

2018夏の結果

Vector Boson Scattering• 前後方にdijet + vector bosonの崩壊
•

±±± ±

6.9σ observation(expected 4.6σ)•

5.3σ observation(expected 3.2σ)

ATLAS-CONF-2018-030
VBSは、ちょうどプロセスが発見に達したところ。
これから、ヒッグスとの干渉について、精密検証を行う。

arXiv:1812.09740
22

Vector Boson Scattering (2)••5.5 σ observation (expected 4.3 σ)
VBSは、WW,WZ,ZZの終状態が観測に達した。
これから、ヒッグスとの干渉について、精密検証を行う。

ATLAS-CONF-2019-033

若狭23

ヒッグス自己結合測定• 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()がなければ、ＨＨ生成の断面積は２倍になる。
𝝀𝝀

Expected event yields for 𝑯𝑯𝑯
𝑺𝑴ATL-PHYS-PUB-2014-019

24

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

自己相互結合に対する制限

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)
25

JHEP 11 (2018) 085

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

山内
26

チャンネルとの比較•

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。
JHEP 11 (2018) 085
ATLASでのMSSMヒッグス探索のまとめ

27

Long Lived Chargino• WinoがLSPの場合に、– AMSBでは、この•の質量が縮退する場合がある。

がDMになりうる。

は長寿命→Long Lived Particle (LLP)になる。
JHEP 06 (2018) 022

~30cm

28

ATLAS Supersymmetry Searches

29

Long Lived Heavy Neutral Lepton Search••••

Search for right handed majorana neutrino ( or HNL)
– Production and decay: function ofand coupling strength
A trigger muon w/ pT>28GeV (prompt)
DV (Displaced Vertex) with two leptons– 4< <300mm–>4GeV
Background: hadron interaction w/ material, metastable b- and s-hadrons,
accidental crossing particles, cosmic ray.

和田30

バックアップ31

32

ATL-PHYS-PUB-2014-016
2023年ころ2035年ころ(?)

33

ATLAS-CONF-2019-007

Full Run 2 Dijet Resonance Search
Dijet mass spectrum

𝒎𝒋𝒋 = 𝟖. 𝟎𝟐 𝐓𝐞𝐕

ここに数式を入力します。
Limit on excited quark model∗34

arXiv:1903.06248

Full Run 2 Dilepton Resonance Search
Dielectron invariant mass

Dimuon invariant mass

No significant excess, set limit on production cross section of heavy particle.

Lower limit on Z’ mass

35

ATLAS-CONF-2019-008
Full Run 2
Chargino and Slepton Searches• Final states:• Use stransverse mass

36

Phys. Lett. B 784 (2018) 173

Observation of ttH production• Top quarkの湯川カップリングを直接測定• Combination of analyses with decays:–––
本多Ｄ論（）

Candidate eventのS/B分布 測定された信号強度

イベント

単独だと、3.7σ
5.8 σ Observation(expected sensitivity: 4.9 σ)

37

Observation ofPhys. Lett. B 786 (2018) 59• bottom quarkの湯川カップリング• Combination of processes:–––
Candidate eventのS/B分布

𝒃𝒃 分布

測定された信号強度

5.3 σ Observation(expected sensitivity: 4.8 σ)

38

HNL production and decay

39