50077■ 研究紹介LHC ATLAS 実験
H → W W (∗) → νν チャンネルを用いたヒッグス粒子探索
東京大学素粒子物理国際研究センター

増渕 達也
Tatsuya.Masubuchi@cern.ch
2012 年 (平成 24 年) 8 月 20 日

1

はじめにの背景事象はモンテカルロシミュレーションやデータから評価する方法で見積もる。図 1 は, 二つのレプトンと2012 年 7 月 4 日, CERN で ATLAS, CMS 両実験グループが, 126 GeV 付近に約 5 σ の統計的有意度で新粒子高い消失横運動量を要求したあとのジェット数分布であを観測したと報告した。新粒子は 40 年以上も探索されて配的であり, 1, 2 ジェット事象は, top 背景事象が支配的いる, 標準模型で唯一未発見のヒッグス粒子と考えて矛盾となる。また, ヒッグス粒子の信号は, 0,1 ジェット事象がない結果だった。しかし, このとき ATLAS 実験の報告

はグルーオン融合, 2 ジェット事象はベクターボソン融に, 筆者の携わった 8 TeV のデータを用いた H → W Wの結果はまだ含まれていなかった。その約 4 週間後, 7る。0 ジェット事象は, non resonant W W 背景事象が支合から生成されたヒッグス粒子の信号が支配的である。
背景事象の数と構成比, 信号事象の特徴は, ジェットの数

月末に発表された論文 [1] で, めでたく H → W W の結で大きく異なる。このため, ジェット数に応じて解析を果も発表することが出来た。その背景を, 筆者の主観を最適化している。

2

解析の概要
まず, 解析の概要と 2011 年の結果を簡潔に述べる。前の号にも紹介されているので興味のある読者はそちらEvents交えつつ紹介したいと思う。
6000
5000

3000

ン対に崩壊して W ボソン対がレプトンに崩壊するチャ

2000

ンネル (H → W W → νν,  = e, μ) は, 120-200 GeV1000である。125 GeV のヒッグス粒子を仮定したとき, W W

s = 8 TeV, ∫ Ldt = 5.8 fb-1
H→WW →eνμ ν/μ νeν00

W W → νν への崩壊分岐比は, 二光子事象 (H → γγ)もある。重心系エネルギー 8 TeV で積分ルミノシティ

H [125 GeV]

246810N jets

への崩壊分岐比は低く, 感度が低いと思われがちだが,の約 5 倍, 4 レプトン事象 (H → ZZ → 4) の約 50 倍tt
Z+jets(*)

BG (sys ⊕ stat)
WZ/ZZ/W γ
Single TopW+jets

4000も参照していただきたい [2]。ヒッグス粒子が W ボソの質量領域でもっとも発見感度がよいチャンネルの一つ

DataWWATLAS

図 1: 二つのレプトンと消失横運動量を要求したあとのジェット数分布。

5.8 fb−1 とするとグルーオン融合の信号は約 1100 事象,さらに背景事象を減らすために, ヒッグス粒子の信号ベクターボソン融合の信号は約 90 事象生成されているに特徴的な運動学的性質を用いる。スピン 0 のヒッグスことになる。さらに終状態に二つのレプトン, 消失横運粒子から崩壊している W ボソン対は, スピン相関を持っ動量が観測されるので QCD 由来の背景事象を抑制出ている。このため, 二つのレプトンは同方向に観測され来る。
この解析では, 多様な背景事象 (non-resonant W W ,W +jets, Z+jets, top, W Z/ZZ/W γ) が信号領域に残るため, これらの背景事象の評価が重要になる。これらる特徴を持つ。この特徴により, 信号事象と終状態が同じである non-resonant W W 事象を効率よく抑制することが出来る。また, この背景事象は, 信号領域のサイドバンドから外挿することで比較的精度よく評価できるた501

め, 系統誤差は約 10%に抑えられる。
このチャンネルは, 終状態に二つのニュートリノがあるために質量の再構成が困難であり, 二光子事象や 4 レプトン事象のように鋭いヒッグス粒子の質量ピークが観測できない。そのため, 様々な事象選択を課したのち,
miss |2mT = (ET + ETmiss )2 − |p(1)
T + ETで定義される横質量分布 mT をデータにフィットすることによってヒッグス粒子を探索している。mT の質量分解能がよくないので, 広い質量領域にブロードな超過がEvents / 10 GeV

78120100ATLAS∫

s = 7 TeV, L dt = 4.7 fb-1(*)

H→WW →lνlν + 0 jets

Data

SM (sys ⊕ stat)

WWWZ/ZZ/Wγtt
Z+jetsW+jetsSingle Top
H [125 GeV]

806040206080 100 120 140 160 180 200 220 240

観測されるのがこのチャンネルの特徴である。

mT [GeV]

2011 年の重心系エネルギー 7 TeV, 4.7 fb−1 のデータを用いた解析の結果では, 133-261 GeV の範囲でヒッグ

図 2: 2011 年, 7 TeV のデータを用いた解析の mT 分布。

ス粒子の存在を棄却した (期待された棄却領域は 127-0 ジェット解析の事象のみが図に示されている。

233 GeV)。また, この結果では, ヒッグス粒子の兆候らしい有意なデータの超過は見られなかった [3]。

また, 2011 年の ATLAS 実験結果から 125 GeV 付近を除いたほとんどの質量領域でヒッグスの存在は棄却され, 125 GeV 付近にデータの超過が観測されたのは周知

32012 年の解析と結果

2011 年の結果を 2012 年 3 月の国際会議で発表した興奮冷めやらぬ中, 2012 年の物理ランは 4 月から順調に重心系エネルギー 8 TeV でデータを取り始めた。われわれ W W 解析グループも 2011 年の結果が出るや, 次のターゲットを ICHEP2012 として, 来たるべき 2012 年の“ヒッグスイヤー” に向けて入念に解析のストラテジーを再考し, 議論を重ねていた。40 年以上の歳月をかけて様々な実験で探索されてきたヒッグス粒子を, たった 4ヶ月やそこらの期間で発見まで持っていこうとしているわ
けだから, 当然様々な困難が待ち受けていた。

2011 年の解析結果から, 2012 年の解析でもっとも懸念される背景事象は, W +jets や Z+jets になると予想されていた。

2012 年の冬の解析は, 2011 年夏の解析結果に基づいて 130-140 GeV の質量領域に最適化されていた。しかし, 2011 年の棄却領域をさらに押し下げ, 130 GeV 以下のヒッグス粒子を探索する際に, W +jets が特に重要な背景事象になってしまっていた。図 2 にあるように, 見積もられた W +jets と 125 GeV のヒッグス粒子の信号のmT がとても近い形になっている。さらに, 一つのジェットがレプトンにフェイクした W +jets 背景事象は, モンテカルロシミュレーションのみを用いた見積もりが困難で, データを用いて見積もっている。フェイクレプトンの事実であった [4]。そのため, 2012 年のデータで解析の最適化をするにあたって信号領域に人間のバイアスが入るのを避けなければならなかった。よって, われわれはブラインド解析をおこない, 解析の最適化が終わり, 背景事象や系統誤差の見積もりが決定するまで, 信号領域と同じ運動学的性質を有する, 82.5 GeV< mT <140 GeVのデータを見ることを禁じていた。
最適化は観測されたデータを用いておこなう必要があり, 最適化に十分なデータ量で解析され始めたのは 5 月初めであった。レプトンセレクションの最適化は, 電子やミューオンのフェイク率を調整しながら, 信号をなるべく落とさないようコントロール領域の解析をもとに慎重におこなわれた。最適化が完了した時, すでに 6 月に入っており, ICHEP2012 までに結果をだすという時間的なプレッシャーが日に日に増して, W W 解析グループを襲っていた。このような状況下でも, 最適化により信号事象を 2011 年に比べて 80∼90%の同定効率に保ちつつ, W +jets 背景事象を約半分に減らすことに成功した。表 1 で, 最適化の結果を 2011 年と比較している。
表 1: 2011 年解析と 2012 年解析で, 全背景事象に対する W +jets 事象の割合の比較。
2011 年の解析√
s=7 TeV
4.7 fb−1

2012 年の解析√
s=8 TeV
5.8 fb−1の不定性から, データを用いても系統誤差は 30-50%とSignal (125 GeV)

1720大きくなってしまう。このような背景事象が信号領域に混入していると発見感度の向上が困難になる。そのため

W +jets
Total background2110515142

信号領域における W +jets の寄与を 2011 年と比較しNW +jets /Ntotal

20.0%10.6%て半分に減らすこと” を目標として, 2012 年の解析がレプトンセレクションの再最適化から始められた。

502

次に問題となる Z → ee/μμ+jets 背景事象の評価も並行しておこなわれていた。この背景事象は終状態にニュートリノを含まないので, 高い消失横運動量を要求することで, 本来十分に抑制できる。しかし, 増加したパイルアップの影響で消失横運動量の分解能が悪くなり,

Events / 10 GeV

79

2011 年と同様に高い消失横運動量を選択するだけでは

140
120s = 8 TeV, ∫ Ldt = 5.8 fb-1(*)

100Data
WWATLAStt
Z+jets

H→WW →eνμ ν/μ νeν + 0/1 jets

SM (sys ⊕ stat)
WZ/ZZ/W γSingle TopW+jets
H [125 GeV]

80
60

Z+jets を充分に抑制できなくなっていた。2011 年よりも 2-3 倍多い 2012 年のパイルアップ環境で, この背景事40象が 2011 年より数倍増加すると試算され, ee, μμ チャン

20ネルの発見感度が大きく低下することがわかった。その050ため, ICHEP2012 に向けて, 解析は eμ チャンネルに絞

100150200250mT [GeV]ることにした。eμ チャンネルは, Z → ee/μμ の背景事象をほぼ無視出来るので, 発見感度の低下も抑えられる。
また, 2012 年から重心系エネルギーが変わったため,

300

図 3: 2012 年, 8 TeV のデータを用いた解析の mT 分布。

0jet 解析と 1jet 解析の事象が足されている。

ミュレーション (MC) をたった数ヶ月で作り直さなければいけない困難な状況もあった。特に, この解析では, 多様な背景事象の評価を MC に頼る部分も大きい。CERNのグリッドコンピューティングをもってしても解析に必要なすべての MC サンプルが揃ったのは 6 月に入ってEvents / 10 GeV

今まで長い年月をかけて作られてきたモンテカルロシ100
8040

6 月中旬頃から本当か嘘かもわからない CMS の解析が順調に進んでいるとの噂も流れてきた。そのような状

20果を間に合わせるべく, ほぼ不眠不休の戦いを続いていs = 7 TeV, ∫ Ldt = 4.7 fb-1

Bkg. subtracted Data
H [125 GeV]

s = 8 TeV, ∫ Ldt = 5.8 fb -1(*)

60からであった。

況でも, W W 解析グループはあくまで ICHEP2012 に結ATLAS

H→WW →lνlν + 0/1 jets

0-2060た。結局, 解析の最適化が終わり, すべての背景事象と80 100 120 140 160 180 200 220 240
mT [GeV]

系統誤差が評価され, ATLAS ヒッグスグループでブラインドされたデータをオープンにする許可が出たのは 6

図 4: 2011 年と 2012 年の観測されたデータから予測さ月 27 日だった。この時点で, すでに 7 月 4 日のセミナーれた背景事象を差し引いた mT 分布を 125 GeV のヒッが 1 週間後に迫っていた。データをオープンにする許可

グス信号と比べたもの。データ点の誤差棒にはデータとが出るやいなや, われわれ解析グループは, 取り除かれ背景事象の統計誤差が含まれているが, 系統誤差は含まていた信号領域のデータを加え信号の超過があるかどうれていない。

かをチェックする作業に入った。その日の夜にはデータをオープンした結果が作られ, 図 3 を目の当たりにした。

した結果から, 我々は H → W W → νν チャンネルである。これはヒッグス粒子の兆候なのか? この時点では125 GeV に統計的有意度 2.8 σ のデータの超過を観測した (標準模型の期待値は 2.3 σ)。また, 126 GeV のヒッグ定量的なことは言えないので, はやる気持ちを抑えつつス粒子を仮定し, 標準模型で期待される値を 1 としたと様々な分布の確認作業を続けていた。図 4 は, データかきの, 観測された信号の強さの最尤値を表すパラメータ

なんと, 明らかなデータの超過が mT 分布に見えたのでら背景事象を差し引いた分布と予想される信号分布を比較したものである。われわれが観測した mT 分布の超過(1.3 ± 0.5) も標準模型と無矛盾であった。
6 月 29 日には ATLAS 全体に, この解析結果を披露すは, 125 GeV のヒッグス粒子で予測される形とよく一致る機会が与えられた。なんと, 発表が終わると会場に自していた。

然と拍手が起こっていた。ATLAS 内部のミーティング

次の日には, 統計計算の暫定的な結果も出され, 定量にも関わらず, である。筆者も ATLAS 内部のミーテイ的な議論に入っていた。図 5 は, p0 という観測されたングで拍手が起こったのを経験したのは初めてで, 感慨データがどの程度背景事象の揺らぎで起こり得るのかを深いものがあった。しかし, この時点で 7 月 4 日のセミ表した確率である。質量分解能が悪いため, データの超ナーと ICHEP2012 まで数日に迫っており, ATLAS 実験過は広い領域に分布するという, このチャンネルの特徴グループの審査と承認にかかる時間と, 解析の細部を詰も観測された。2011 年と 2012 年を統計的にコンバインめる作業を考えると, 7 月 4 日のセミナーと ICHEP2012
で H → W W チャンネルの結果を発表することは許可

503

Local p080

(*)

ATLAS
H→WW →lνlν
104
Obs.
103
Exp. m = 126 GeVs = 7 TeV: ∫ Ldt = 4.7 fb- 1
H102±1 σs = 8 TeV: ∫ Ldt = 5.8 fb- 1±2 σ1010σ1σ10- 12σ10- 23σ10- 310- 44σ10- 510- 65σ10- 7110 120 130 140 150 160 170 180 190mH [GeV]

筆者がこのヒッグス “らしき” 新粒子の発見に携われたことに感謝するとともに, 検出器に携わった人々や,ヒッグスグループの無茶な要求にも迅速に対応してくれた MC プロダクションチーム, また解析グループのメンバーにもこの場を借りて感謝したい。

参考文献[1] ATLAS Collaboration, “Observation of a newparticle in the search for the Standard Model
Higgs boson with the ATLAS detector at theLHC”, Phys. Lett. B 716 (2012) 1-29.

図 5: 2011 年と 2012 年の解析を統計的にコンバインした p0 。実線は観測された p0 , 点線は 126 GeV のヒッグ
ス粒子が存在したときに予想される p0 。

[2] 増渕達也, 中村浩二, 「LHC 最新の研究結果 IV」,
高エネルギーニュース 31-1, 10 (2012).
[3] ATLAS Collaboration, “Search for the Standard

されなかったため, われわれの目標は, その後の “発見”
論文にこの結果をいれるということに切り替えられた。
この論文にまとめられているほかのチャンネルとのコンバインの結果は, 「新しいボソンの発見と今後」で中Model Higgs boson in the H → W W ∗ → νν
decay mode with 4.7 fb−1 of ATLAS data atsqrt(s) = 7 TeV”, Phys. Lett. B 716 (2012) 6281.

村氏が詳しく議論するのでそちらを参照していただきたい。

4今後の展望この記事が書かれた 8 月 20 日の時点で 10 fb−1 を超えるデータが重心系エネルギー 8 TeV で取得されており, 2012 年, 約 20 fb−1 のデータが取得される見込みである。論文に結果を入れる事が出来なかったが, Z →ee/μμ+jets 背景事象を高パイルアップ環境で効率よく抑制するための研究は続けられており, ee, μμ チャンネ
ルの結果を入れて解析を改善し, W W チャンネル単独で 5 σ 程度の発見感度が見込まれる。今後は, ベクターボソン融合の信号にも感度が出てくると期待され, フェルミオンやボソンと, この新粒子の結合定数の測定が可能になってくる。また, この新粒子がスピン 2 の可能性も完全に排除されたわけではなく, 観測されたレプトンの角度分布を用いたスピンの測定など, 性質を測定する時代に入る。この新粒子がヒッグス粒子と無矛盾なのか標準模型で説明できない性質が観測されるのか, 今後の進展にぜひ期待していただきたい。

5

最後にATLAS 実験グループの総力が実った結果であることは言うまでもないが, 総勢 60 名程の H → W W 解析グ
ループのチームワークと努力がなければこの難局は乗り切れなかっただろう。

[4] ATLAS Collaboration“Combined search for theStandard Model Higgs boson in pp collisions√at s=7 TeV with the ATLAS detector”,Phys.
Rev. D86 (2012) 032003.