142■研究紹介

LHC(ATLAS・CMS) 最新の研究成果 I東京大学大学院 理学系研究科

浅 井

祥 仁

shoji.asai@cern.ch
2010 年 11 月 15 日

1 はじめに

図 1 に示すように，登り調子でルミノシティが増強され，本年 3 月 30 日に LHC は重心系エネルギー 7 TeV の実験

10 月いっぱいで L  45 pb-1 のデータが記録された。これでを開始し，前人未踏のテラスケール(TeV)の直接研究が可

来年 L > 1fb-1 のデータが十分期待できるようになった。

能になった。これから目が離せなくなるので，高エネルギー
ニュースの場を借りて，年二回程度の頻度で最新の LHC の今年のプロトン・プロトン衝突の実験は 10 月 31 日終わり，現在は重イオンで衝突実験をおこなっている。

成果について持ち回りで紹介していく。初回である今回は，

LHC 加速器の今年の歩みを簡単にまとめた後，ATLAS/CMSの公式結果から抜粋して報告する。私の興味でテラスケー
ルの新しい物理探索に話が偏ってしまう点と，まだ全実験
データを解析した結果がグループで承諾されていないので，限定したデータの結果になってしまう二点はお許し願いたい。

2 LHC 加速器の状況
超伝導磁石のつなぎ目の接続不良[1]がまだ修理されていないため，本年は重心系エネルギー 7 TeV で実験がおこなわれた。本年の目的は，ルミノシティを 1032 cm-2s-1 以上で安定的に衝突させることにある。このルミノシティは LHCの最終デザインよりは 2 桁小さいが，2011 年はこのルミノ

図1

積算ルミノシティの状況

シティで安定的に実 験を 行 おこな い積 算 ルミノシティ

淡い灰色はデリバーされたデータ，濃い灰色は ATLAS で記録されL > 1fb-1 を実現する。

たデータ量。

陽子は約 1011 個が集まってバンチを構成し，このバンチが複数個リングの中をまわり，検出器の位置で衝突するよ
うになっている。ルミノシティを上げるには，バンチの形

3 標準理論の検証
3.1

QCD ジェット事象

を絞り，バンチの数を増やすことが必要である。図 1 に 2010

LHC でもっとも多い反応が，パートン同士がカラーを交

年の積算ルミノシティを示す。3 月 30 日におっかなびっく

換(t-channel の交換が主要)して二つのジェットが観測されりで始めた時は，バンチの数も一つで 1027 cm-2s-1 であったる事象(以後 QCD ジェット事象と呼ぶ)である。この反応

が，バンチ数を 50 まで増やして，ビームを少し絞って 8 月

はテラスケール領域での量子色力学の検証であると同時に，に 10 cm s まで，実に 4 桁も増強した。あと factor 10 で間接的に新しい物理を探ることができる。たとえばクォー

目標達成である。しかし，これ以上バンチ数が増えると，

クが 10-20 m のスケールで点状でない場合や， O(10)TeV の

不必要な箇所での衝突も起きてしまうため，衝突に角度

未知の重い粒子が仮想的に交換する場合など，ジェットの(crossing angle  0.3 mrad )をつけて他の箇所での衝突が起高い運動量側の分布に QCD の予言からズレが生じる。

31

-2 -1

きないようにする。9 月にデータが増えていない 1 ヶ月の

図 2(a)は，ジェットの生成断面積を横方向運動量 (PT ) の間は，加速器の crossing angle の調整をおこなっていた。そ関数で示している[2]。黒丸が測定点(統計誤差とルミノシの後どんどんバンチ数を増やしていき，最終的にバンチ数

ティの誤差をバーで示している)，淡い灰色(紫)バンドが系

32

-2 -1

は 368 にまで増強され， L  2 ´ 10 cm s が達成された。

統誤差(エネルギースケールの不定性がおもでこの絵では

143
中でどの様に成長していくかの不定性が約 4 % 占めている。
他の系統誤差がデータの増加に従い比較的容易に抑えることが出来るのに対して，これはジェットと g がバランスしたような事象 (qg  qg ) を用いて較正する。
将来エネルギースケールの不定性が 1% におさえられると， 10-20 m のスケールでクォークの構造や O(10 TeV) の新粒子探索が可能になってくる。
図 2(b)は二つのジェットの不変質量の関数として生成断面積を表したものである。たとえば，excited quark の様な
未知の重い粒子はクォークとグルオンの衝突で生成し，これらに崩壊するので高い PT のジェット 2 本が観測され，その不変質量分布でピークとなる。また余剰次元がテラスケー
ルに存在し，二つの高いエネルギーを持ったパートンが反応すると，カラー交換以外にも重力の効果が効くようになり，共鳴状態が存在する可能性がある[3]。この様に 2 ジェットはシンプルなだけにいろいろな物理を探ることができる。
図 2(b)に示すように，実験データは PYTHIA(leading order)の予言する分布とエネルギースケールの不定性の範囲内で一致しており，残念だけど高い領域でのずれは観測されなか っ た 。 こ れ か ら ， exited quark の 下 限 質 量 1.53 TeV(ATLAS L = 3.1pb-1 )[4], 重 力 共 鳴 の 下 限 質 量 2.1TeV(CMS L = 0.83 pb-1 )[5]が得られた。他にも応用が可能である。これらは，今年の全データの 1/10 以下の少ないデー
タしか使っていない。今後はエネルギースケールの不定性や PDF などの理論の不定性を抑える研究が鍵となってくる。

3.2

W, Z 事象

電弱ゲージボソンW ( n ), Z ( ) は断面積も大きく，
検出器の性能を理解する上で大事な役割を果たす。特にレプトンの検出・トリガー効率の測定や Z   を用いた検出L=
17 nb-1 ) 黒丸：実験データ，淡い灰色(紫)バンド：実験系統誤差，濃い灰色(赤)バンド: 理論の系統誤差。下は実験データと QCD
予言の比をプロットしている。 (b) 二つのジェットの不変質量分布(CMS L = 836 nb-1 ) 淡い灰色(黄)のバンドは実験系統誤差。
図2(a) QCD 2 ジェット事象の生成微分断面積(ATLAS

器較正などに不可欠のプロセスである。同時にこれらの過程は，トップの研究や 4 章で述べる新物理探索のバックグ
ラウンドとなるため理解が不可欠である。
事 象 選 別 に は 電 子 (e) か ミ ュ ー オ ン (m) の レ プ ト ン(PT > 20GeV) 一 つ と ， 横 方 向 消 失 エ ネ ル ギ ー

8 % )，濃い灰色(赤)バンドで示すのが QCD の予言である。

(mE T ) > 25GeV を要求する。カロリメーターで観測された

NLO(Next-to-Leading Order)まで計算した結果であり，エネルギーのベクター和にミューオンを加えたものの逆ベ

renormalization, factorization scale(中心値はジェットの PT

クトルが mE T ベクトルであり，ニュートリノの PT に対応を用いている)の不定性がその幅で示されている。実験デーしている。レプトンと mE T の二つから計算される横方向質

タは，QCD の予言と 6 桁の非常に広いレンジで一致してい量 M T ( = 2PTmE T (1 - cos Df) ： Df は x -y 平面でのレプる。この図は y < 2.8 と広い rapidity での inclusive な結果

トンと mE T のなす角)分布を図 3 に示す。 W の崩壊はであるが， y を細かく分けて比較しても，超前方 ( y > 3.5)

M T  80GeV に ヤ コ ビ ア ン ピ ー ク を 作 り ， M T =を除くどの領域でも，実験データと QCD の予言はよく一40  80GeV に多く分布する。

致している。超前方は，計算の不定性が大きい上にエネル同様にして Z  ee, mm を選び出して，生成断面積に焼きギー分解能も悪いため，比較が難しい。エネルギースケー

直した数字を表 1 [6] にまとめる。系統誤差は，検出効率のルの不定性のうち，ハドロンシャワーがカロリメーターの不定性が一番効いている。ルミノシティの不定性は現在 11%144
であるが，これらは今後改善していく。理論の不定性はお論からの外挿より大きい場合は，検出器の効果より物理のもに PDF である。測定結果は NNLO の予言と一致してい効果が効く様になる。その場合は電子ばかりでなくミューる。

オンの解析も重要になってくる。電子チャンネルだけ使って，ATLAS (L = 0.3 pb-1 ) のデータでW ¢ への制限 465GeV(95%CL) が得られている。今年の全データ(100 倍以上ある)を用いると， 1.1TeV(95%CL) 付近まで探ることができる。
これは Tevatron で得られた制限より厳しいものである。

図 4 M T 分布 (ATLAS L = 0.3 pb-1 )黒丸：実験データ，灰色(水色)ヒストグラム： W  n シグナル，
バックグラウンド過程は図中のレジェンド参照。濃い灰色(赤)枠(W ¢ = 200 GeV), 灰色(緑)枠 (W ¢ = 500 GeV) は，未知のW ¢ ボソンがあった場合期待されるシグナル。

3.3 トップ事象
トップクォークは，他のフェルミオンと比べると桁違いに重く，電弱対称性の破れや，標準理論を超えた新しい素粒子現象などに何か新しいヒントを与えてくれる可能性がある。 LHC でのトップの生成断面積は， 830 pb (NLO

E CM = 14 TeV )とグルオンからの生成がおもになるため

図 3 M T 分布 (ATLAS L = 0.3 pb-1 )Tevatron と比べて 2 桁大きくなり詳細な研究が可能になる。

(a)は電子，(b)はミューオン，白色ヒストグラムは W  n シグ
ナル，バックグラウンド過程は図中のレジェンド参照。

生成されたトップは直ちに b クォークとW ボソンに崩壊するので，トップペアーは， bbqqqq (ハドロニック)，

表1

重心系 7 TeV での W, Z の生成断面積

bbqq n (セミレプトニック)，bb n n (レプトニック)の三つ

e, m への崩壊分岐比がかかった値，ATLAS(L = 0.3 pb ) ，誤差はのトポロジーが期待されるが，トリガーの問題などで，ハ

統計・系統・ルミノシティを示す。

ドロニックはなかなか難しい。質量測定などにはセミレプ-1

測定値(nb)NNLO 予言値(nb)s(W )* Br (W  n )9.96  0.23  0.50  1.1

10.46  0.52s(Z )* Br (Z  )

0.82  0.06  0.05  0.09

0.96  0.05

もし，未知のゲージ粒子W ¢ や Z ¢ が存在すると，電弱ゲー
ジ粒子W や Z と同様に観測される。クォークやレプトンへの結合定数が標準モデルと同じであると仮定し質量だけ異なる場合は，図 4 が示すように M T 分布の大きなところに新しいレゾナンスが観測される。この図は，電子チャンネ
ルだけである。電子のエネルギー分解能は，高いエネルギー
で 1/ E T でよくなるが，一方ミューオンの運動量分解能
は PT で悪くなるからである。もし，W ¢ の崩壊幅が標準理

トニックモードが有用であるが，反面W ＋ジェットのバッ
クグラウンドが多い。レプトニックは分岐比が小さい点とニュートリノが二つあるため直接質量を較正できない点が弱点であるが，バックグラウンドが少なくて綺麗である。
3.3.1 セミレプトニックモード
図 5(a)は， e, m のレプトン (PT > 20GeV) を要求して，

mE T (> 20GeV), M T (lepton + mE T )(> 60GeV - mE T ) を 要
求する。さらに最低一つ b ジェット (PT > 25GeV) を要求した後のジェット数 (PT > 25GeV) を示したものである。トップ事象(OPEN ヒストグラム)は多数のジェットが期待される一方，淡い灰色(黄)のW ＋ジェットや黒(紫色)の QCD

145
ジェットはジェット数が少ない。斜線はバックグラウンドも高い。図 5(b)は，こうして選んだ三つのジェットの不変

評価の不定性で，W 事象の 50% ，QCD 事象の 100% をザッ

質量分布である。トップの質量 (172.5GeV) にピークが観測

クリ計上している。データと標準モデルの予言はよく一致され，トップのシミュレーション(OPEN ヒストグラム)としており，ジェット数が 3, ³ 4 の領域はトップの事象が有一致した結果になっている。図 6(a)に観測された事象の一意に観測されている。たとえば， ³ 4 ジェットでは，バッ例を示す。四つのジェットと電子と大きな mE T が観測され

トッ
クグラウンドが 12.2  5.1 のところに 37 事象観測され，ている。三つのジェットの不変質量はトップと一致する。

プクォーク対生成の予言までいれると一致する。

LHC のトップ生成の特徴は，運動学的に余裕があるため，
従って，トップがハドロニッ
トップの PT が大きい点にある。
ク崩壊して出来た 3 ジェットを，観測された四つ以上のジェットの中から選ぶにも，三つのジェットのベクトル和をとった PT が最大になる組み合わせが正しい確率がもっと

図 6 観測されたトップクォーク対生成事象(a) セミレプトニック事象( 4 ジェット＋電子＋ mE T )(b)レプトニック事象( 2 ジェット＋電子＋ミューオン＋ mE T )右上に示

すように二つのジェットは綺麗な 2nd vertex をもっている。

3.3.2 レプトニックモード
二つの電荷が逆のレプトン (PT > 20GeV) と 2 本以上
ジェット (PT > 20GeV) がある事象を選ぶ。レプトンの組み合わせは以下の 3 通りあるが，バックグラウンドを落とす
ために，さらに以下のカットを加える。
(ee) Drell-Yan(DY)過程を除くため，電子不変質量が Z ボ

ソン質量と 5GeV 以上ずれていること，また mE T が

40GeV より大きいことを要求する。
(mm) 同様に DY 過程を除くために， Z ボソンから 10GeVずれていることと mE T > 30GeV を要求する。
図5(a) ジェット数の分布，(b) 3 本のジェットの不変質量分布

共に黒丸：データ，白色：トップ事象，淡い灰色(橙)・黒(紫)：W や QCD のバックグランド事象，斜線：バックグラウンド評価の不定性。

(e m) W / Z + jet のジェットを間違ってレプトンと認識した過程がおもなバックグラウンドとなるため，レプ
トン PT とジェットの PT のスカラー和 (H T ) が 150GeV
より大きいことを要求する。

146
図 6(b)は，観測された事象を示す。電子とミューオン，チャンネル)は信号数が大きく，感度が高い反面(今年のデー

二つの b ジェットが観測された綺麗な事象である。おもな

タでグルイーノ・スカラークォークの質量で 700  800GeV

バックグラウンドは，W +ジェット+ b ジェットで一本のを探ることが出来る)，バックグラウンドの理解が重要になジェットがレプトンと間違って認識されたものであるが，る。現在， mE T の理解とバックグラウンド解明に格闘してレプトンに間違えるレートが小さいのでこの寄与は少ない。

いる最中であり，残念ながら結果はお見せできない。 X がジェットをレプトンと間違えた場合，この嘘レプトンの電レプトン(one lepton チャンネル)と b ジェット( b ジェット

荷はランダムであるので，same sign の組み合わせからこのチャンネル)の結果をまとめる。

効果は評価できる。
B ハドロンは長い寿命を持っているため，生成された点

4.1.1 One Lepton チャンネルから離れたところに B ハドロンの崩壊に伴う頂点(secondary

レプトン (PT > 20GeV) とジェット 2 本以上を要求する。

vertex)が観測される。図 6(b)右上に示す様に綺麗な vertex

このままだと，W ( n ) + 2jet やトップのセミレプトニッ

が再構成されている。 B ジェットタグをすることでバッククがそのまま残るので，レプトン PT と mE T で計算した横グラウンドを大きく抑えることができる。

方向質量 M T > 100GeV を要求する。図 3 に示した様にW 起
源 の M T は 80GeV 以 下 に な る 。 こ の M T は 便 利 で ，

M T < 100GeV を要求することで逆にバックグラウンドを積

3.3.3 生成断面積の測定
二つのモードで測定したトップ事象を検出効率，ルミノ

極的に選び出すことが出来る。これら選び出されたバック

シティ，崩壊分岐比で補正して求めた生成断面積と NLO のグラウンドを用いていろいろな分布の研究をおこなうこと

予言値を表 2 にまとめる[7]。

ができる。

表2

トップクォーク対生成断面積(統計・系統誤差)
測定値(pb)33 + 40145-+29-28

NLO 予言値(pb)8164.5-+11

これらの後の mE T 分布を図 7(a)(b)に示す。

測定値の統計誤差は 25% ，系統誤差(バックグラウンド
評価の誤差)は 20% である。まだ統計・系統誤差はともに大きいが NLO まで取り込んだ予言値と一致している。予言の誤差は，renormalization, factorization scale の不定性とPDF の不定性がおもである。理論の研究もこれからますます進んでいくことが重要である。

4 新しい物理現象の探索
4.1 超対称性粒子探索( mET がある場合)
標準理論を超えた新しい素粒子現象の中でもっとも期待されている理論が超対称性であり，テラスケールに一連の超対称性粒子の存在が予言されている。超対称性事象の大きな特徴は，一番軽い超対称性粒子(LSP)が暗黒物質であることが期待され，これが検出されないから大きな消失エ
ネルギー (mE T ) が生じることである。カラーを持った重い
超対称性粒子(グルイーノやスカラークォーク)の崩壊から，高い PT を持った複数のジェットが放出されることが期待されるので，high PT multijet+ mE T (+X ) が基本的なイベント
トポロジーである。 X はカスケード崩壊の中で出てくるい
ろいろなオブジェクトであり，レプトン，タウ， b ジェットなどである。これらを要求することで特定の崩壊パターンが選ばれ信号の数は減るが，バックグラウンドも大きく抑制することができる。おまけ (X ) がないモード(no lepton

図７ mE T 分布(a) 電子，(b)ミューオンを含むチェンネル。共に黒丸：データ，
白色：QCD 事象，濃い灰色(青)・灰色(緑)： W ・トップのバッ
クグランド事象，点線：SUSY の信号，淡い灰色(黄)バンド：バッ
クグラウンド評価の不定性。

147
電子(a),ミューオン(b)について別々に解析をおこなっている。
極めて初期の段階の結果で事象数は限られているが，大きな mE T の領域に観測された事象はなかった。mE T の大きな領域でおもなバックグラウンドは，W +ジェットとトップ対生成である。W ( n ) のW がオフシェルの時や，レプトニック崩壊したトップ対生成事象の一方のレプトンが( t への崩壊，PT が小さいなどの理由で)観測されなかった事象で M T > 100GeV をパスしてしまった。また，10-4 (10-5 )程度の確率でジェットを間違って電子(ミューオン)としてしまう fake lepton があるため，QCD 事象が mE T の小さいところに寄与するが，信号領域ではその効果は小さい。
現在のデータは図 7 の約 600 倍あり，グルイーノ・スカ
ラークォークに対して 600  700GeV 程度の質量まで感度がある。これらは暗黒物質の現在の宇宙に残っている量を上手に説明することが出来る質量であり，非常にエキサイ
ティングな結果であるが，次回のお楽しみ。
4.1.2

B ジェットチャンネル

第三世代のスカラークォークは湯川結合の効果や LR 混合効果で第一，第二世代の素粒子より一般的に軽くなる。
この場合，グルイーノからの崩壊に b クォークが含まれる
頻度が高くなる。さらに b ジェットを要求することでバッ
クグラウンドも抑制できる利点もある。 b ジェットは，

rejection power が高い secondary vertex を探す方法でおこなう。図 8(a)は，再構成した primary vertex と secondary

vertex との距離 L (崩壊長)をその分解能 (s ) で割った分布

図 8 (a) 崩壊長 L / s 分布(b) mE T / SE T 分布

共に黒丸：データ，白色：QCD 事象，濃い灰色(青)・灰色(緑)：W ・トップのバックグランド事象，点線：SUSY の信号，淡い灰色(黄)バンド：バックグラウンド評価の不定性。

を示す。マイナス側に見える幅程度が測定精度であるのに対して，プラス側に長くテールを引いている。
これが b ジェッ4.2 超対称性粒子探索(長寿命粒子を含む場合)

ト( B ハドロンを含むジェット)の効果であり，実験データ

超対称性のモデルのなかには，長寿命粒子を含むものがはよくシミュレーション結果を再現している。 L / s > 6 を多数ある。たとえば，gauge mediation モデルでは，一番軽要求すると b ジェットの検出効率は約 50% である。一方

い超対称性粒子(LSP)は，グラビティーノ(重力子のパート

u, d, s クォークおよびグルオンに対する rejection power はナー)であり，その結合は著しく弱い。このため二番目の軽50  100 である。

い超対称性粒子(NLSP)であるスカラータウの寿命が長くな

3 本以上のジェット (PT > 50GeV) の事象を選び，そのうり，電荷を持った重い粒子になる。Anomaly mediation モ

ち最低一本以上は b ジェットであることを要求する。こう

デルでは，LSP, NLSP がウィーノ(W のパートナー)になりして選んだ事象の mE T / SE T 分布を図 8(b)に示す。検出

質量が縮退し，NLSP である荷電ウィーノは，検出可能なされた横方向のエネルギーをスカラーとして足しあげた量

寿命 (c t = O(1 - 10 cm)) を持つようになる。

を SE T とすると， SE T は mE T の典型的な分解能となる。

またゲージーノの質量は  1TeV であるが，スカラー粒mE T の小さい領域は QCD ジェット過程が主要なバックグ（split SUSY model）と，子の質量が 1000 TeV より重くなる

ラウンドである。一方， mE T の高い領域は，トップの対生生成されたグルイーノの寿命 (G  1/ scalar_mass4 ) が長く

成がバックグラウンドになる。点線に示すのは SUSY の信なり，グルイーノが標準モデルクォークと結合して無色化号の例であり，高い mE T 領域に信号が期待される。これはした R-hadron とよばれる状態になる。

L = 0.3 pb-1 の結果ではあるが，実験データはバックグラウ

ンドの分布をよく再現しており，mE T の高いところに有意なズレは見えていない。現在のデータは，この 150 倍ある
ので質量約 700GeV までのグルイーノを探ることができる。

これらのへんてこな粒子探索の実験テクニックを以下に
まとめる。

148
(1) Heavy Charged Particle (GMSB stau, R-hadron)

バックグラウンドが増えてきたら，TOF(1B)を要求する(1A) Energy Loss (dE / dx )ことでバックグラウンドを抑えることが可能であり，本年飛跡検出器を用いて測定。 b < 1 である場合は，ベーテのデータ (L  45 pb-1 ) でグルイーノ質量 500GeV 付近まで

ブロッホ公式の示すようにイオン化エネルギー損失が大き探ることができる。ハドロンコライダーは汚くて解析が難くなる。飛跡検出器(ピクセルや TRT(遷移輻射トラッキン

しいと思われているが，(1)  (3)の様な exotic なシグナルグ)などのガスチェンバー)で観測された電荷(アナログ情報

をさぐることが出来ることは特筆すべきことで，アイデアが保存)から dE / dx が測定出来る。

次第でいろいろな研究を拡げることができる。

(1B) TOF(飛程時間)
ミューオン検出器，ハドロンカロリメータの時間情報を用いて測定。 b < 1 であるため，外側の検出器に到達する
時間 TOF が有意に遅くなるので，時間分解能 O(1nsec) を持つミューオン検出器やハドロンカロリメータで測定する。
運動量測定と b 測定で質量も測定することが可能である。
(2) Decay in Flight (AMSB chargino, GMSB stau)
飛跡検出器内 (< 1m) で崩壊した時，荷電粒子の飛跡が折れたり消えたりしたようになる。連続飛跡検出器(ATLASには 72 層からなる TRT)で飛跡を追跡すると，折れているようになる。また(1A)の応用で，ピクセルだけに大きなエネルギーデポジットがあるような事象で探ることが出来る。
(1A)と組み合わせて dE / dx から b も測定出来るため，運動量とあわせて質量が測定できる。折れる点の分布から寿命も求めることが出来る。
(3) Stopping Particle in Calorimeter (GMSB stau, R-hadron)
電荷のある場合はイオン化損失，中性 R-hadron は核子反応でエネルギーを損失し，数%の heavy particle は密な物質であるハドロンカロリメータで止まる。止まった heavy

particle が寿命をもって崩壊する現象を捉える。崩壊を捉えるトリガーが難しいが，いろいろ提案がある。
4.2.1

dE / dx を用いた Heavy Charged Partice 探索

上に述べた(1A)の技術を用いた結果をまとめる。ピクセ
ル半導体検出器は，通過した荷電粒子のイオン化エネルギー損失を測定しており，アナログ情報が保存されている。図9(a)は，観測されたトラックの PT と dE / dx の二次元相関を示している。 電子, p, K , p, D(パラパラと見える点) と質
量に応じて綺麗に分離されており，運動量が大きくなると
これら標準模型粒子は b  1 となって minimum ionize 粒子

図9(a) 運動量とピクセル半導体検出器で測定した dE / dx の相関(実験データ)

粒子の種類は図に示す。(b) PT と dE / dx ヒス

トグラム (CMS L = 0.2 pb-1 )黒：データ，灰色(青，下の曲線)：

バックグラウンド・シミュレーション，濃い灰色(赤，上の曲線)：

gluino 200 GeV のシミュレーション。

となる。
図 9(b)は，PT 分布と dE / dx 分布である。見にくいがデー
タとバックグランド(QCD ジェット)がよく一致していて，

4.3 ミニブラックホール探索 (high PT multiobject)

PT 分布と dE / dx 分布はともに急激に落ちてゆく。一方，

インドあたりで自殺者まで出した 2008 年のミニブラック

濃い 灰 色 (赤) で 示 す 点 は グ ル イ ー ノ( 質 量 200GeV )がホール狂騒は未だに記憶に新しいが，テラスケールに余剰

R-hadron を作った場合の分布を示している。PT > 100GeV

次元が存在していたら，いろいろな現象が期待される。もっと大きいが質量が重いため， b < 1 であり，結果として大3.1 章ですでに述べた 2 ジェットの高い PT
とも一般的には，の中に candidate

領域でのズレである。余剰次元の曲率によって ADD(フラッは観測されず，グルイーノ質量に 284 GeV(95%CL) の下限ト)と RS(曲がっている)のモデルがあり，ADD モデルの時が得られた。

の有力なシグナルが，グラビトンが逃げるモノジェット事-1

きな dE / dx になっている。 L = 0.2 pb

149
象である。一方 RS モデルでは，カルツァ・クライン(KK)

５

ヒッグスの探索グラビトンや KK グルオンから出てくる大きな PT をもった

ヒッグス粒子の探索には O(1fb) のルミノシティが必要で

電子，トップが有望である。これらの研究も現在すすんであり，来年以降が本番である。現在はバックグラウンドといる。

なる標準モデルプロセスの研究や，実験データからこれら-19

もし重力がテラスケール (10m) で強くなれば，シュバ

ルツシルト半径 (RS ) もほぼこのスケールと同じになる。この時，二つのパートンがこの半径以下でぶつかった時ブラッ
クホールが出来る可能性がある。ドブロイ波長程度にパー

バックグラウンドを評価する方法の開発をおこなっており，
ほぼ期待される結果が得られている。
図 11(a)は，来年 7 TeV で L = 1fb-1 の実験をおこなった時の感度を示す。

トンが広がっているため，これが RS 以下でないと全部のエネルギーがはいらないからブラックホールにならない。このため，ブラックホールの質量の下限はテラスケール重力スケールの 5 倍程度になるので，重心系 7 TeV の実験ではブラックホールの生成は難しい。この下限値以下の時に何が起こるかは，われわれが量子重力を理解していないために予言できない。また string ball みたいな状態を予言するモデルもある。生成されたブラックホールや string ball は，ホーキング輻射で直ちに崩壊する。
温度は軽いブラックホー
ルでは極めて高い (O(100)GeV) ため，高い運動量をもった粒子が複数放出される特徴がある。High PT multiobject は特徴的であり，ちゃんと調べておく必要がある。高い PT を持ったオブジェクト(電子，ミューオン， g ，ジェット)がそれらの PT のスカラー和 SPT が 700GeV 以
複数 (³ 3) あり，
上の事象を選ぶ。これらの運動量に mE T を加えて不変質量(M vis ) を計算したものを図 10 に示す。
バックグラウンドは，

まだセレクションがルーズなので QCD ジェットがおもであるが，データの大きな M vis 領域に超過はなく，標準理論のバックグラウンドと無矛盾である。データを増やして厳しいカットの開発やバックグラウンドの評価法(図 10 は過大評価している)の開発をおこなっている。
図 11(a) ヒッグスを 95%CL で排除できる断面積を標準モデル

ヒッグスの生成断面積で割ったもの。仮定した条件は， 7 TeV で
L = 1 fb-1 の積算ルミノシティが蓄積されるとする。使ったチャンネルは図中参照。点線が合わせたもので，バンドは実験したときの統計的ふらつきの範囲をしめている。(b) は同じ感度の絵を様々なルミノシティで計算したものである。

縦軸は， 95%CL で排除出来る断面積を標準モデルヒッグ
スの生成断面積で割ったもので，1 以下の領域が exclude 出
来ることになる。 H  WW が質量 > 130GeV のヒッグスをカバーできる。
質量 115 - 130GeV の領域は H  gg と ttの助けを借りても，まだ factor 2 不足している。この領域をカバーするため，二つの秘策が考えられている。

1. 2012 年も shutdown せずに走り続け， L  5 fb-1 程度の
図 10 不変質量分布(ATLAS L=0.3pb-1)
赤(黒)は QCD バックグラウンドで淡い灰色(黄)のバンドは不定性を示す。

データを蓄積する。図 11(b)は感度を様々なルミノシティ
で表したものであり， 5 fb-1 で 115GeV まで達成することが可能になる。

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2. 重心系のエネルギーを 7 TeV から 8  9 TeV に上げる。
現在の 7 TeV はかなり安全をみたものであり，まだ上げる余地がある。 9 TeV にすると同じルミノシティで約5GeV 低いところまで感度を拡げることが出来る。
この二つを合わせ，ATLAS と CMS を合わせると来年，再来年あたりに 3s 以上程度の兆候を捕まえることが可能になる( 120GeV 以上は 5s 程度)。

６

まとめ

5 章に書いたように，来年の重心系エネルギーと 2012 年の shutdown(修理)をやめて実験を続けるか否かは，ヒッグ
ス探索の重要な分岐点になる。また超対称性粒子の探索領
域を 1TeV 付近にまで 2012 年までに拡げることが出来るようになる。これらの判断は，2011 年 1 月のシャモニーコン
ファレンス(LHC 加速器の会議)で決定される。

2010 年のフルデータの結果は現在グループ内で議論されており，2011 年の冬の国際学会や，3 月末の日本物理学会
で詳しく紹介されるのでご期待ください。

参考文献[1] 小林富雄「LHC 実験始動」，高エネルギーニュース 28-4
(2010).

[2] ATLAS Collaboration, CERN-PH-EP-2010-034(accepted by EPJC) (2010).

[3] L. A. Anchordoqui et al., Phys. Rev. Lett. 101 241803(2008).
[4] ATLAS Collaboration, Phys. Rev. Lett. 105 161801(2010).
[5] CMS Collaboration, CERN-PH-EP-2010-035 (2010).
[6] ATLAS Collaboration, CERN-PH-EP-2010-034 (2010).
[7] CMS Collaboration, CERN-PH-EP-2010-039 (2010).
[8] 900GeV の衝突エネルギーでのデータを用いて調べた検出器のパフォーマンスについては，ATLAS Collaboration

arXiv1005.5254 を参照。