ATLAS実験からの最近の結果とRun 3実験に向けた準備状況
2021/6/25 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
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■ ATLAS実験の状況↑現在
ヒッグスの物理~500k Higgs↑ヒッグス発見！

~8M Higgs「精密測定」へ（様々な生成・崩壊過程を観測）

SUSYなどの探索~1 TeVまで棄却•••

より稀な過程の探索
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•••

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）~2 TeVまで棄却• 現在は実験休止期間（LS2と呼ばれる）– Run 2までにためた大量のデータを徹底解析– Run-3（＆高輝度LHC）にむけた加速器・検出器のアップグレード
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■ ATLAS実験の最近の物理成果• 標準模型の精密な検証、トップやヒッグス粒子の測定、重い未知粒子探索など、様々な新結果が続々と公表されている– 今日は主にヒッグス粒子の物理に関する結果を紹介します。

• ヒッグス場が関わるラグランジアン
𝐿Higgs = ⋯+ 𝐷𝜇 Φ†

𝐷𝜇 Φ−𝜓ത𝐿 𝑌Φ𝜓𝑅 − ℎ. 𝑐.

ヒッグス粒子と弱ボソンとの相互作用
ヒッグス粒子とフェルミオンとの相互作用22††−𝜇 Φ Φ − 𝜆 Φ Φヒッグス粒子の質量・自己結合+𝐿non−SM

標準模型に含まれない相互作用

生成断面積などの測定量からそれぞれの項を検証する
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■ 𝐻 → 𝜇𝜇• 第三世代クォーク＆荷電レプトンとヒッグスとの結合はすべて観測された– 次なる問い：軽い第二世代の質量も湯川相互作用由来か？
→ 𝐻 → 𝜇𝜇を使って検証する
arXiv:2007.07830• 𝐵𝑅 𝐻 → 𝜇𝜇 = 0.022%– 圧倒的に大きな𝜎 × 𝐵𝑅をもつ
ドレルヤン過程背景事象が問題• BDTによる背景事象抑制

𝑍 (∗) → 𝜇𝜇
𝐻 → 𝜇𝜇 ×100

– 𝑝T やミューオン角度分布などの違いを利用

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■ 𝐻 → 𝜇𝜇

arXiv:2007.07830• 各生成過程ごとに事象を分類 → BDTをトレーニング
𝜎小生成過程大選別条件

カテゴリー数ttH

𝐻 → 𝜇𝜇候補＋≥1ℓ + ≥1𝑏ジェット

1VH

𝐻 → 𝜇𝜇候補＋1-2ℓ (ℓ = 𝑒, 𝜇)

3VBF

𝐻 → 𝜇𝜇候補＋2ジェット

4ggF

𝐻 → 𝜇𝜇候補＋0-2ジェット(not VBF)

12→ BDT出力に応じて領域分け(合計20領域)• 得られた信号強度𝜇は
𝜇 = 1.2 ± 0.6 (統計) +0.2-0.1 (系統)(2.0σ observed [1.7σ expected])

信号（？）

標準模型予想に対する観測された信号数

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■ 𝐻 → 𝜇𝜇: CMSとの比較

CMS-PAS-HIG-19-006• CMS実験も昨年夏に結果を公表した– 一番感度の高いカテゴリーで深層ニューラルネットワークを使用→ 出力分布にフィット

信号（？）

𝜇 = 1.19 +0.41-0.39(統計) +0.17-0.16 (系統)(3.0σ observed [2.5σ expected])arXiv:2007.07830

どちらも125±5 GeV

ソレノイドの磁場の違い（ATLAS: 2 Tvs CMS: 3.8 T）による運動量分解能が、質量分解能に現れている→ 感度の違いの最大の要因

ATLAS、CMS両実験において第二世代フェルミオンへの崩壊の兆候が見られた！
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■ ダイヒッグス生成の探索

負に干渉する• 自己結合項の係数を直接測れる
𝑉 ℎ= 𝜆2 ℎ2 + 𝜆3 ℎ3 + 𝜆4 ℎ4• 測定は容易ではない= 𝜅𝜆 𝜆𝑣

SMなら𝜆2 = 𝜆𝑣 2𝜆3 = 𝜆𝑣
𝜆4 = 𝜆/4– ヒッグスが2個ある（重い！）
断面積が小さい（33.5 fb @ 13 TeV）
– 2つの振幅が負に干渉する→ 140 fb-1で約5000個– 終状態が様々• これまでのATLASでの制限:-2.3 < 𝜅𝜆 < 10.3 （95%信頼区間） ATLAS-CONF-2019-049
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■ ダイヒッグス過程の探索

ATLAS-CONF-2021-016• この春に𝐻𝐻 → 𝑏𝑏𝛾𝛾の結果が更新された– 𝐻 → 𝑏𝑏（BR = 58%）で統計を稼ぎつつ、 𝐻 → 𝛾𝛾（0.2%）できれいに再構成– 前回解析（JHEP 11 (2018) 040）に比べて統計量3.9倍• 様々な工夫により感度を劇的に向上– 機械学習（BDT）によりカテゴリー分け– 𝑚𝐻𝐻 > 350 GeVと𝑚𝐻𝐻 < 350 GeV別々に解析

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同時フィット9/23

■ ダイヒッグス過程の探索

ATLAS-CONF-2021-016• 得られた結果は
𝜎𝐻𝐻 < 130 fb (95%信頼度)（標準模型による予想は32.7 fb）

可能性のある範囲• 𝜅𝜆 に対する制限-1.5 < 𝜅𝜆 < 6.7
単独の測定でこれまでより良い結果！
– 統計に加え、解析手法によって2.5倍の改善• 他の主要チャンネル（𝐻𝐻 → 𝑏𝑏𝑏𝑏, 𝐻𝐻 → 𝑏𝑏𝜏𝜏）の解析は現在進行中• 高輝度LHC（3000 fb-1）への展望（2018年時点の外挿）-0.1 < 𝜅𝜆 < 2.7, 5.5 < 𝜅𝜆 < 6.9 (信号有意度3.5σ)– 今後の改善 + CMS実験との共同解析によって観測（>5σ）に至る可能
ATL-PHYS-PUB-2018-053
性は十分にある！
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■ ℎ → 𝑎(→ 𝑏𝑏)𝑎(→ 𝜇𝜇)

ATLAS-CONF-2021-009• ヒッグス崩壊で出てくる擬スカラーヒッグス𝑎探索（2HDM+S）– 𝑎 → 𝑏𝑏で統計を稼ぎつつ、𝑎 → 𝜇𝜇をきれいに再構成• Cut-and-countingによる解析– 𝑚𝜇𝜇 ±1 GeV（45 GeV以上は±1.5 GeV）のウインドウ内の信号数を計測
ҧ– バックグラウンド数は、𝒕𝒕とドレルヤンCRで決定
35 GeVと52 GeVに少しエクセス？

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■ 𝐻 → 𝑎(→ 𝑏𝑏)𝑎(→ 𝜇𝜇)

ATLAS-CONF-2021-009※これは𝑚𝑎 = 35 GeVのもの• 最大のエクセスは1.7σ @ 𝑚𝑎 = 52 GeV (global)– 36.1 fb-1の解析では見えていなかった

25-June-2021

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■ 軽い擬スカラーヒッグスボソン探索まとめ
ATL-PHYS-PUB-2021-008
2HDM+S summary

今回更新された結果
BR(ℎ →undetected) < 19%(BR(ℎ → 𝑎𝑎)はこれ以下でないといけない )• 2HDM+Sにおける軽い擬スカラーヒッグスボソン– 上の図はtype-III, tan𝛽 = 2での比較– 低𝑚𝑎 では𝜇𝜇𝜇𝜇、中𝑚𝑎 では𝜇𝜇𝜏𝜏、高𝑚𝑎 では𝑏𝑏𝜇𝜇の感度が高い– CMSの𝑏𝑏𝜇𝜇は36 fb-1での結果
25-June-2021

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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– 𝑠 = 13-14 TeV (今年決定)– 𝐿 = 2×1034/cm2/s （Run 2と同程度）→ レベリングで積分ルミノシティーを稼ぐ

𝐿

Longer term LHC schedule 2×1034/cm2/s

3年間でRun 2以上のデータ量収集を目指す
加速器のアップグレード• 入射器の更新（Linac 4）• PS Boosterの改良※高輝度化（2027～）を見据えた改良
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𝑡

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
Level 1（ハードウェア）トリガーを改良する
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■ 運転再開に向けた「トレーニング」• エネルギーを上げるにはダイポールマグネットのトレーニングが必要– クエンチを繰り返すことで、少しずつ流せる電流量が上がっていく※ 𝑠 = 14 TeVまで上げるには、すべてのグラフが一番上に到達する必要がある• これまでに3セクター（out of 8）が7 TeVに到達
25-June-2021

15/23

■ 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”できるようになる

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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■ ミューオン検出器アップグレード
製作サイト

ATLAS検出器がある場所

Twitter@ATLASexperiment• NSW-Aの製作が完了！
– 来月、ATLAS検出器まで運ぶ– NSW-Cの製作も始まっている• Run 3開始までにインストールする予定– タイトなスケジュールだが、作業は鋭意進行中
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■ SemiConductor Tracker (SCT)
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• 筑波大素粒子実験グループが大きな貢献をしている
25-June-2021

18/23

■ LS2中にやるべきこと• SCTはこれまで10年間で激しく放射線損傷を受けている– 例）漏れ電流は当初に比べて数桁増加• Run 3を走り切るために準備が不可欠

PoS(Vertex2019) 005→ 論文化を進行中– いまの検出器の状態を理解する → 現在のSCTの性能評価– 起きうる問題に備えておく → メンテナンス・モニタリングツール開発
25-June-2021

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■ SCTの基礎的性能
SCT-2019-002SCT-2019-003• 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– 飛跡を追うには、合計4層8枚のセンサーすべてができるだけ信号を出してほしい– Run-2最終年（2018年）でも、概ねヒット検出効率 >99%を維持できた• ノイズは小さく抑えたい– Run-2最後でも2000 e-程度 → 閾値1 fC = 6250 e-より十分に低い
25-June-2021

20/23

■ 完全空乏化電圧の見積もり
SCT-2021-001

𝑉FD ?

• 完全空乏化に必要な電圧𝑉FD をIV特性から見積もれる– 𝐼leak ∝ 空乏層体積のため、 𝑉FD に達するとIの増加が緩やかになる– IVから見積もった𝑉FD は予想値とよく合っている• Run-3最後の時点でも、 𝑉FD は十分に低いと予想– ヒット検出効率 > 99%を得るための電圧は𝑉FD 予想よりだいぶ高い→ TCADを使い、放射線損傷後の電場分布や特性を評価中
25-June-2021

21/23■ Run 3に向けたコミッショニング• 1-2ヶ月に一度ATLAS全体で試運転をしている– CERNは通常モードに戻ってきている現在も、感染拡大に気をつけつつ工夫しながらコミッショニングを進めている– できるだけリモートでも参加できる工夫もTGC用サテライトコントロールルーム @ KEK （9月）

SCT作業時（6/14-18）の予定表

一人はCERN

25-June-2021

一人はリモート

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■ まとめ• ATLAS実験における最近の結果– Run 2運転終了から2.5年が経過したが、まだまだ徹底解析が進行中（ちなみに、最近1000本目の論文が出ました → ATLAS news）– エネルギーフロンティアでの新粒子探索だけでなく、大統計データによる電弱対称性破れの精密な理解が可能に– 未公表のチャンネルも、夏（EPS）の公表にむけて鋭意進行中• Run 3にむけて– 2022年運転再開に向けて検出器のアップグレードやコミッショニングは順調に進行中– 収集予定の統計量は2倍程度だが、新しいトリガーにより効率を向上できる（もちろん、解析そのものの改善も）今後も、ATLAS実験による物理成果にご期待ください

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■ 𝐻 → 𝑎(→ 𝑏𝑏)𝑎(→ 𝜇𝜇)

ATLAS-CONF-2021-009• invariant massや角度情報を使ってBDTをトレーニング– トレーニングは10 GeVごとに𝑚𝑎 ±8 GeVウィンドウの領域で行った• トレーニングに使っていないmass pointについては、一番近いpointのBDTを使う（例： 𝑚𝑎 = 32 GeVの信号を見積もる時には、30 GeVでトレーニングしたBDTを使用） → 10 GeVごとに不連続が見えている原因• BDT > 0.2 でカットをかける

BDTカット前

BDTカット後

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■ 加速器アップグレード
LHC

Linac 4• エネルギーを引き上げ空間電荷効果を抑制• H-イオンを加速
Linac 2
Linac 4エネルギー 50 MeV 160 MeV
加速粒子
陽子H-イオンp新しい加速空洞--H-軌道PS Booster

-p-

陽子軌道p

↑
カーボン薄膜• H-の電子をカーボン薄膜ではぎ取る• 160 MeV → 2.0 GeVに加速(𝛽 = 0.16)(𝛽 = 0.91)• ファインメットを使った加速空洞により全加速周波数をカバー- 旧システムでは3種類が使われていた

CERN News 12 June 201925-June-2021

ファインメット＋サポート用銅リング
CERN News 18 July 2017

加速器のアップグレード作業はほぼ完了→ LHC運転再開に向けた調整中
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