ATLAS 実験ヒッグス粒子探索の最新の結果
2012 年 7 月 4 日、ATLAS 実験はヒッグス粒子探索の最新結果のプレビューを CERN でおこなわれたセミナーにおいて発表した。このセミナーは同時にオーストラリア、メルボルンで開かれている ICHEP 会議（素粒子物理の国際会議）とビデオリンクで結ばれた。ICHEP では後日にデータ解析の詳細が議論されることになっている。CERN での発表は現地にいる研究者だけにではなく、Webcast を使って世界中の数百の研究機関にいる同僚たちにも同時に送られた。

「現在の探索の状況は我々が当初に思っていたよりも遥かに進んでいる」と ATLAS 実験代表者のファビオラ•
ジャノティ氏は述べた。「私たちは新粒子の存在を 5σのレベルで示す明らかな兆候を データの中に観測した。
その質量は 126 GeV 付近である。LHC と ATLAS の素晴らしい性能と、多くの人たちの多大な努力がこのわくわくするステージに私たちを連れてきた。これらの結果を最終的なものにするにはもう少し時間がかかる。そして、もっと沢山のデータと更なる研究がこの粒子の性質を明らかにするために必要である」。

ヒッグス粒子は不安定な粒子である。生まれてすぐ、ほんの短い時間の後に他の（通常の）粒子に崩壊する。
従って実験では崩壊生成物を測定することによってのみヒッグス粒子を観測することができる。素粒子の世界を非常に精密に記述する「標準モデル」によると、ヒッグス粒子はいくつかの特定の粒子の組（チャンネル）に崩壊し、それぞれのチャンネルへの割合はヒッグス粒子の質量で決まっている。

ATLAS はこの発表では２つの相補的なチャンネルに集中した：ヒッグス粒子が２つの光子に崩壊するものと、４つのレプトンに崩壊するものである。これらのチャンネルはどちらもヒッグス粒子の質量を高い精度で決定することができる。２光子チャンネルは少なく無い数の信号が期待されるがバックグラウンド事象も多い（しかしデータから直接その量を決定できる）。一方、４レプトンのチャンネルは信号の数が少ないが、バックグラウンド事象も極めて少ない。そして、これら２つのモードにおいて、両者ともほぼ同じ質量、約 126 GeV、を持つ事象がバックグラウンド事象だけから期待される数を統計的に有為に上回るレベルで存在することが観測された。
これら２つの結果と、その他のヒッグス探索チャンネルのデータを組み合わせて高度な統計的解析をしたところ、信号の有為度は５ σ のレベルであった。
これは、ヒッグス粒子が無いにも関わらずバックグラウンドが偶然このような明らかな信号に見える確率が300 万回に 1 回くらいだということである。

今回の結果は、去年の 12 月に CERN でのセミナーで発表され、今年の始めに学術誌に出版された解析を新しいデータを含めて更新するものである。12 月の結果は 2011 年に記録した 7 TeV 陽子•陽子衝突のデータに基づくもので、可能なヒッグス粒子の質量を 117 GeV と 129 GeV の間の狭い領域に制限した。
そして、期待されるバックグラウンド事象数を微妙に上回る数の事象が約 126 GeV（ヨウ素原子の質量に相当）に存在することを ATLAS と CMS の両方が観測していた。
ATLAS と LHC そして高エネルギー物理コミュニティーにとって次のステップは、この信号の性質を測定し、ヒッグス粒子の期待される性質と一致しているかどうかを調べることである。すでに、いくつかの性質はヒッグス粒子の予言と合っている：まさに期待される崩壊モードで信号が観測されたことや、その質量が他の情報から間接的に予想されていた領域にあることなどである。つぎの数週間、数ヶ月の間に ATLAS はこれらの性質をより良く測定し、これらの事象が果たしてヒッグス粒子によるものなのか、それとも複数のヒッグス粒子ファミリーの中で最初に発見された粒子なのか、あるいは全く新しい何者かであるのか、これらの問いに関してより明確な解釈ができるように努めるだろう。

2012 年のデータは 2011 年のものと比べてより高い重心系エネルギー (8 TeV)の陽子•陽子衝突のものであり、また、たった 3 ヶ月で収集したものであるにも関わらず 2011 年全体で記録した量を上回るものである。この素早いデータ取得は LHC 加速器グループの素晴らしい仕事の賜物である。このセミナーでの発表に使われたデータは約１千兆個の陽子•陽子衝突事象から選ばれた。

ATLAS 検出器は驚くほど高性能を発揮し、2012 年の高い反応頻度に由来するより厳しい実験条件にも関わらず、この探索のために質の良いデータを高い効率で収集した。
WLCG (Worldwide LHC Computing Grid)の提供する高性能の計算機資源はこれらのデータの再構成と解析のために本質的な役割をはたした。
LHC は 2012 年の終わりまでに更に 2 倍の量のデータをATLAS にもたらす予定である。その後 LHC は改良のために長いシャットダウン期間に入る。2014 年の終わりに向けて LHC が再スタートする時には、そのエネルギーは現在の約２倍になる。

2012 年の残りの期間に集める新しいデータと、その後のパワーアップした LHC が提供するデータにより、研究者たちは本日の報告で示唆されたヒッグス粒子に関する問いだけでなく、我々の自然に対する様々な根本的な問いに取り組むことができるようになるだろう。

ATLAS について
ATLAS は CERN の Large Hadron Collider（LHC:大型ハドロン コライダー）における素粒子物理の実験である。
ATLAS 検出器はとてつもなく高いエネルギーのハドロン同士の正面衝突の中から新しい物理現象を探索している。
また ATLAS は、かって時間の始まりの時から宇宙の形成を支配し、その未来を決めるであろう基本的な力の性質を研究している。これらが明らかにする可能性のある問いは例えば、質量の起源、余剰空間次元、力の統一、そして宇宙で銀河を満たすダークマターの正体などである。
現時点において、ATLAS コラボレーションは世界 38 カ国の 176 研究機関に所属する約 3000 人の物理学者から構成されている。その中には 1000 人以上の博士課程の学生が含まれ、ATLAS 実験の遂行やデータの解析をおこなっている。
ATLAS についての情報は公開ウエブサイト http://atlas.ch で見ることができる。

図の解説
Figure 1.

ヒッグス粒子が４つの電子に崩壊する事象の候補（2012 年 ATLAS データ）。

Figure 2.

ヒッグス粒子が４つのミューオンに崩壊する事象の候補（2012 年 ATLAS データ）。

Figure 3.
2 光子チャンネルでの質量分布。この２光子を含む事象の解析は質量の小さいヒッグス粒子探索に最も感度のあるチャンネルである。なめらかな点線は既知の反応からのバックグラウンドの分布を表す。実線はバックグラウンドに信号を加えた仮定をしたフィットから得られた。新粒子の信号は 126.6 GeV 付近の事象数の超過として表れる。新粒子が無いにも関わらず、このようなピークが偶然現れる確率は統計的には3/1000,000 程度である。

Figure 4.
4 レプトンチャンネルでの質量分布。最もバックグラウンドの少ない探索は、それぞれレプトン対（電子あるいはミューオン対）に崩壊する２つの Z 粒子を含む事象を探すことである。120 GeV から 130 GeV の領域では 13 事象がデータに観測され、一方バックグラウンドの予想は 5.3 事象である。新粒子が無いにも関わらずこのような超過が偶然見られる確率は統計的には 3/10,000 である。

Figure 5.
質量範囲 110 – 600 GeV における、標準モデルを仮定したヒッグス粒子生成に対する ATLAS による制限。
実線は仮定した質量（横軸）に対するヒッグス粒子生成率への実験で得られた制限を表す。実線の縦軸の値が１よりも小さくなる質量の領域は 95％の信頼度でその可能性が排除される。破線で示された曲線はヒッグス粒子が存在しない場合に得られると期待される制限をシミュレーションで評価した結果の中心値。緑と黄色のバンドはそれぞれ評価値の 68％と 95％ 信頼度の範囲を示す。質量 500 GeV 以下では、123 – 130
GeV の範囲だけが 95％信頼度で排除されていない唯一の領域である。

Figure 6.
バックグランド事象だけなのに偶然に信号があるように見える確率。検査した全てのヒッグス粒子質量の範囲で示してある。ほとんど全ての仮定した質量に対して、その確率（実線で表示）はせいぜい数％である。
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しかし 126.5 GeV では確率が 3x10 に落ち込んでいる。つまり 3 百万回に 1 回、いわゆる 5σ の超過で、これは新粒子の発見を表すのに使われるスタンダードである。標準モデルでは、この質量のヒッグス粒子が存在する場合、中心値として 4.6σ が期待される。

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