ATLAS実験の最近の物理結果

佐藤構二
宇宙史センター 構成員会議
2022/11/28

1

内容
•
•
•
•

LHC加速器とATLAS実験
Run３実験が始まった
ヒッグス粒子発見から１０周年
最近のヒッグス粒子の精密測定

2

LHC実験

3

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

ATLAS実験

LHCｂ実験

ALICE実験
CMS実験

円周27km4陽子を最大7 TeVまで加速して正面衝突

ATLAS/CMSがヒッグス粒子を発見。

LHC長期スケジュール• 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 ~49 pb、Run 2で生成されたヒッグス粒子は、
49000 fb × 139 fb−1 ~6.7M（個）year

𝑬𝑪𝑴 (𝐓𝐞𝐕)

integ lumi
[fb-1]

2011752012

821Run 2

2015-2018

13139

Run 3

2022-2025

13.6

250

HL-LHC2029-2038

1430005

Run 1

LS2での加速器のアップグレード• LS2 (2019-2021)• Run3の準備とメンテナンスだけでなく、HL-LHCに向けての加速器アップグレードも多く行われた.

Linac 4H- ions at a higher energy of
160 MeV (was 50 MeV with Linac 2)

SPS RF
New system using solid-state
amplifiers.

• 陽子ビームの強度を上げるために、Linacで𝐻 − を加速する．
• Linac 2 をLinac 4で置き換え.
• Booster injectionをアップグ
レード.
• SPSのRFをアップグレード:真空管を半導体トランジスターに交換.
• ビームエネルギーの増強(to 6.8TeV).
• 磁石の交換,その他のメンテナンス, …
6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7オン衝突…

ATLAS LS2 Upgrade: L1 Calo Trigger
トリガー用読み出しを細分化することで、電子、光子トリガーへのバックグラウンドの影響を減らす。
トリガーエレクトロニクスのアップグレード。

Key numbers• 5000 new optical fibres• 1524 Front-End readout
Boards refurbished• 23.6 Tbps (Tera-bits persecond) of data fromthe Super Cells

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

8

ATLAS LS2 Upgrade: L1 Muon Trigger
前方領域に新しいトリガーチェンバーNew Small Wheelをインストール。

9

Run 3の開始• 2019-2021 の長期シャットダウン（加速器と検出器の増強）から復帰• 2022/7/5にRun 3運転が開始• 2022-2025に𝟐𝟓𝟎 𝐟𝐛−𝟏 を蓄積予定• 11/22までに𝟑𝟓 𝐟𝐛−𝟏 を取得

10物理過程の生成断面積
陽子・陽子衝突の重心系エネルギーが増加することにより、重い粒子の生成断面積が増える。
Run 2→ Run 3
Run 3→ HL-LHC
標準理論の過程

重い新粒子生成11

物理過程の生成断面積
陽子・陽子衝突の重心系エネルギーが増加することにより、重い粒子の生成断面積が増える。
Run 2→ Run 3
Run 3→ HL-LHC
標準理論の過程

重い新粒子生成12

Run 3データのMCシミュレーションとの比較• 𝑒 ± 𝜇∓ 事象

Run3の結果は、今後にご期待を‼

次ページからの物理結果は、Run2の結果です。

13

標準理論とデータの比較

13桁にわたる様々な生成断面積が、どれもよく一致している。

14

ヒッグス粒子の発見

CERNでのセミナーの様子• 2012年7月4日 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

CERNでのセミナーの様子••

ヒッグス粒子発見10周年
2022年 ヒッグス粒子発見
2024年はヒッグス粒子発見から10周年––––

7月4日にCERNでシンポジウム
ATLAS: Nature volume 607, pages 52–59 (2022)
CMS: Nature volume 607, pages 60–68 (2022)
ATLAS日本グループでも8月末にイベントを行いました。
CERNでのセミナーの様子

16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

𝐻 → 𝛾𝛾𝐻 → 𝑍𝑍 ∗ → 4ℓ

𝐻 → 𝑊𝑊 ∗ チャンネ
ルも合わせて5.9σの有意度でヒッグス粒子を発見。

Phys. Lett. B 716 (2012) 1-29

Run 2全データの分布
現在では、発見に使ったチャンネルでは大量の候補事象。
Run2データではヒッグ
ス粒子の精密測定を行っている。

arXiv:2207.00348

Phys. J. C 80 (2020) 942

17

LHCでのヒッグス粒子の生成・崩壊• 主な生成モードが４つある
8 TeV

13 TeV• 崩壊分岐比ഥ𝑯 → 𝒃𝒃𝑯 → 𝝉+ 𝝉−

𝑯 → 𝝁+ 𝝁−

𝑯 → 𝒄ത𝒄

57.7%

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

18

LHCでのヒッグス粒子の生成・崩壊• 主な生成モードが４つある
8 TeV

13 TeV

LHCでのヒッグス粒子の物理は、さまざまな生成・崩壊モード• を観測できる豊富なプログラム。
崩壊分岐比
それぞれのモードでの測定結果が標準理論と一致するかどഥ
𝑯 → 𝝉+ 𝝉−
𝑯 → 𝝁+ 𝝁−
𝑯 → 𝒄ത𝒄
𝑯 → 𝒃𝒃うかを検証することで、厳しく標準理論を検証できる。
57.7%

6.32%

0.022%

2.91%

𝑯 → 𝒈𝒈𝑯 → 𝜸𝜸

𝑯 → 𝒁𝜸𝑯 → 𝑾𝑾

𝑯 → 𝒁𝒁𝚪𝐇 [𝐌𝐞𝐕]

8.6%

0.23%

0.15%

21.5%

2.64%

4.07

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ヒッグス粒子の生成・崩壊の精密測定

標準理論通りなら、ヒッグス粒子とフェルミオンの結合は、𝑚𝑓 に比例する：

20

Simplified Template Cross Section (STXS)••

さまざまな終状態の解析結果をコンバイン。
３６の運動学的領域でのヒッグス粒子の生成断面積を測定。

21

オフシェルでのヒッグス粒子の生成•

22𝑔𝑔𝑔𝐻⋅𝑔𝐻𝑍𝑍
𝑜𝑛−𝑠ℎ𝑒𝑙𝑙
𝜎𝑔𝑔→𝐻→𝑍𝑍 ∗ ~𝑚 Γ

𝐻 𝐻

𝑜𝑓𝑓−𝑠ℎ𝑒𝑙𝑙⇔ 𝜎𝑔𝑔→𝐻→𝑍𝑍~

22𝑔𝑔𝑔𝐻⋅𝑔𝐻𝑍𝑍

𝑚𝑍𝑍

𝑜𝑛−𝑠ℎ𝑒𝑙𝑙∗– 𝜎𝑔𝑔→𝐻→𝑍𝑍∗ は、𝐻 → 𝑍𝑍 解析でよく測れている。
𝑜𝑓𝑓−𝑠ℎ𝑒𝑙𝑙𝑔𝑔→𝐻→𝑍𝑍– 𝑚𝐻 から外れた不変質量領域で 𝜎𝑜𝑛−𝑠ℎ𝑒𝑙𝑙を測れば、𝜎𝑔𝑔→𝐻→𝑍𝑍∗ との比を実際には𝜇 = 𝜎/𝜎𝑆𝑀 を測定し、取ってΓ𝐻 を測定できる。

𝜇 𝑜𝑛−𝑠ℎ𝑒𝑙𝑙からΓ𝐻 を測定している。
𝜇 𝑜𝑓𝑓−𝑠ℎ𝑒𝑙𝑙• 電弱𝑍𝑍過程との干渉項に気を付けながら解析する必要がある。

干渉する

22

オフシェルでのヒッグス粒子の生成 (2)𝑚4𝑙 > 220 GeV•

𝐻信号は𝜇 𝑜𝑓𝑓−𝑠ℎ𝑒𝑙𝑙 に比例、干渉項は 𝜇 𝑜𝑓𝑓−𝑠ℎ𝑒𝑙𝑙 に比例するとし、フィットで𝜇 𝑜𝑓𝑓−𝑠ℎ𝑒𝑙𝑙 を決める。
Off-shellでのヒッグ
ス粒子生成を3.2𝜎の有意度で観測（2.4𝜎 exp）。

Γ𝐻 = 4.6+2.6−2.5 MeV
23

ATLAS-CONF-2022-068

ヒッグス自己結合• 標準理論ラグランジアン：
𝜆𝐻𝐻𝐻•

自己結合（𝜆𝐻𝐻𝐻 )は、DiHiggs事象を探して解析する。
– 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。

干渉する

24

DiHiggs過程の探索結果
2015-2016データ

全Run 2データ

𝜇𝐻𝐻 =𝜎𝐻𝐻
𝑆𝑀 <2.4 (95% CL)
𝜎𝐻𝐻

𝑆𝑀-0.4<𝜅𝜆 = 𝜆𝐻𝐻𝐻 /𝜆𝐻𝐻𝐻<6.3(95% CL)

arXiv:2211.01216

25

MSSMヒッグス粒子の探索結果

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まとめ
• ATLAS実験では、 LHCによる世界最高エネルギーの陽子・陽子衝突データを取得、解析している。
• ２０２２年にはRun３実験が始まり、13.6 TeVのデータをすでに35 fb−1 取得した。２０２５年までに250 fb−1 蓄積できる予定。
• ２０２２年は、ヒッグス粒子が発見されてから１０周年である。
– 10年の間に、ヒッグス粒子の測定と理解の精度がどんどん高まってきた。
– 2022年秋には、質量幅の直接測定が行われた。

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backup28

LHC Injectors Upgrade

Deployed in LS2 (2019-20)• Preparation for HL-LHC, as well as Run 3 and maintenance.
• More intense, concentrated beam, with new Linac accelerating 𝐻 − instead ofproton.
• Replace Linac 2 with new Linac 4.
SPS• Upgrade Booster injection.
• RF system upgrade → solid• RF system upgrade in SPS
state power amplifiers••

Impedance mitigation
Robust beam dump andprotection devices

PSB
Linac 4H- ions at a higher energy of160 MeV (was 50 MeV with Linac 2)••

charge exchange injection at 160 MeV,
reduced space charge → improved
brightness
Top energy: 1.4 GeV to 2 GeV• New main power supply• New RF systems

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

30

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
31

ATLAS検出器、座標系
Pseudorapidity:𝜃𝜂 = −ln[tan( )]
2
𝜼

𝜽 (度)

090.0

0.5

62.5

1.0

40.4

1.525.1

2.0

15.4

2.5

9.4

3.05.732

粒子の運動量は、𝑃𝑇 , 𝜂, 𝜙であらわす場合が多い。

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

𝒈𝒈 → 𝒕𝒕𝑯𝒔 (𝐓𝐞𝐕)𝝈𝒈𝒈→𝑯 (𝐩𝐛)

13.0

48.61

13.6

52.23

14.0

54.72

𝒒𝒒 → 𝒒𝒒𝑯

𝒒𝒒 → 𝑽𝑯

33

ヒッグス粒子の生成・崩壊の精密測定
これから観測を目指す
チャンネルの現状
𝑡𝐻< 15 × 𝜎𝑆𝑀

𝐻 → 𝜇𝜇2.0𝜎 (1.7𝜎 exp)

𝐻 → 𝑍𝛾2.3𝜎 (1.1𝜎 exp)

標準理論通りなら、ヒッグス粒子とフェルミオンの結合は、𝑚𝑓 に比例する：

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オフシェルでのヒッグス粒子の生成 (2)𝑚4𝑙 > 220 GeV

CMS results:

Nature vol 18, 1329–1334 (2022)
Off-shellでのヒッグス粒子生成を3.6𝜎の有意度•

𝐻信号は𝜇 𝑜𝑓𝑓−𝑠ℎ𝑒𝑙𝑙 に比例、干渉項は 𝜇 𝑜𝑓𝑓−𝑠ℎ𝑒𝑙𝑙 に比例するとし、フィットで𝜇 𝑜𝑓𝑓−𝑠ℎ𝑒𝑙𝑙 を決める。
Off-shellでのヒッグ
ス粒子生成を3.2𝜎の有意度で観測（2.4𝜎 exp）。

Γ𝐻 = 4.6+2.6−2.5 MeV
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ATLAS-CONF-2022-068 (Nov 2022)

ヒッグス自己結合測定

𝜅𝜆 =

𝜆𝐻𝐻𝐻
𝑆𝑀
𝜆𝐻𝐻𝐻

• 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

36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。。。

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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
38

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 + 𝑖𝜙2Φ==
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+𝐻𝑑0H𝑢 =,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。
39

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。