ATLAS実験の最近の物理結果から
佐藤構二
宇宙史センター 構成員会議
2023/6/27

1

内容
•••
•

LHC加速器とATLAS実験
Run３実験の状況
最近の物理解析結果から
HL-LHCに向けて

2

LHC実験

3

Large Hadron Collider (LHC)

スイス、ジュネーブ郊外のCERNにある大型加速器
世界最高エネルギーでの素粒子実験
𝑬𝑪𝑴 ≤14 TeVでの陽子・陽子衝突
これまでの経緯：2011 物理Run開始
2012 ヒッグス粒子発見
2022～2025 Run 3

ATLAS実験

LHCｂ実験 B物理

ALICE実験 QGP
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）

現在

year

𝑬𝑪𝑴 (𝐓𝐞𝐕)

integ lumi
[fb-1]

2011

752012821

Run 2

2015-2018

13139

Run 3

2022-2025

13.6

250HL-LHC

2029-2038

1430005

Run 1

ATLAS検出器• 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6オン衝突…

Run3の現状• 2019-2021長期シャットダウン。加速器と検出器とも、高輝度化のためのアップグレードを行った• 2022/7/5にRun 3運転が開始– 2022-2025に250 fb−1 を蓄積予定。
– 2022年に35.7fb−1 を取得。
– 2023年6月24日現時点で56fb−1 を取得済
み。
– データ収集効率～93%7省電力での運転

2023年の運転時間は20％削減（→75日程度）
限られた時間の中で、積算輝度（データ）を最大化する運転8

Impressive level of control, forexample…
• Beta* levelling routinely used for thefirst 5-6 hours of every fill
• Fully automated levelling for IP1 / IP5 (μ = 54 ± 2.5%)• Luminosity jumps below ~5% (as requested by Experiments)• Inner Triplet cooling for collision debris limited to ~2×1034 cm-2
s-1

beta* levelingbeta* leveling

9M. Lamont, ”LHC status”, Moriond QCD 2023

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10ҧ Cross Section Ratio in 2022 Data𝑡𝑡/𝑍

• 𝜎𝑡𝑡ҧ = 859 ± 4(stat) ± 22(syst) ± 19(lumi) pb• 𝜎𝑍→ℓℓ = 751 ± 0.3(stat) ± 15(syst) ± 17(lumi) pb• 𝜎𝑡𝑡ҧ /𝜎𝑍→ℓℓ =1.144 ± 0.006 (stat) ± 0.022(syst) ± 0.003(lumi)

11𝐻 → 𝛾𝛾, 𝐻 → 𝑍𝑍 → 4ℓ in 2022 Data∗

• 𝐻 → 𝛾𝛾, 𝐻 → 𝑍𝑍 ∗ → 4ℓは、ヒッグス粒子発見時のメインチャンネルだった• 質量やCP測定など、ヒッグス粒子の精密測定がしやすいチャンネル12

CDFによるW質量のアップデート（2022）• CDF update: 𝑀𝑊 = 80 433.5 ± 9.4 MeV– More precise than all previous measurement combined.
– Tension of 7𝜎 with SM expectation.
• SM expectation: 𝑀𝑊 = 80 357 ± 6 MeV

13

CDFによるW質量のアップデート（2022）• CDF update: 𝑀𝑊 = 80 433.5 ± 9.4 MeV– More precise than all previous measurement combined.
– Tension of 7𝜎 with SM expectation.
• SM expectation: 𝑀𝑊 = 80 357 ± 6 MeV

7 TeVデータを解析しなおし、2023年にアップデート

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ATLAS Run1 7 TeV dataでのW質量
𝑷ℓ𝑻
𝑾+ → 𝒆+ 𝝂𝒆

𝑾− → 𝒆− ഥ𝝂𝒆

𝑾+ → 𝝁+ 𝝂𝝁𝑾− → 𝝁 − ഥ𝝂𝝁𝑴𝑾𝑻2018論文からの変更点
1. Profile Likelihoodフィッティ
ング手法を使用– 2018論文は、template
フィッティングだった
2. 最新のPDF関数を使用– CT10 → CT18
2018年論文
𝑚𝑊 = 80370 ± 19 MeV
2023年アップデート
𝑚𝑊 = 80360 ± 16 MeV

CDFの2022年結果
𝑚𝑊 = 80 357 ± 6 MeV
15

ATLAS 2023 Result weighs in• ATLASでのW質量測定結果と標準理論は、非常によく一致
している

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ヒッグス粒子の生成・崩壊の精密測定• ヒッグス粒子のさまざまな生成・崩壊過程を精密測定し、標準理論を厳しく検証する。

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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𝐻 → 𝑍𝛾の兆候• CMSとのコンバイン解析で3.4σで𝐻 → 𝑍𝛾過程の兆候を確認• 𝐵𝑟 𝐻 → 𝑍𝛾 = 3.4 ± 1.1 × 10−3– 𝐵𝑟 𝑆𝑀 ~1.5 × 10−3– ≲1.9σで標準理論と一致

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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）

現在

year

𝑬𝑪𝑴 (𝐓𝐞𝐕)

integ lumi
[fb-1]

2011

752012821

Run 2

2015-2018

13139

Run 3

2022-2025

13.6

250

HL-LHC2029-2038

14300019

Run 1

パイルアップ事象
LHCではバンチ化した陽子ビームが衝突
LHC(2015)

HL-LHC

バンチ長(cm)

89

バンチ直径(cm)8.5

7

バンチあたり陽子数

11 × 1010

22 × 1010

瞬間輝度(cm−2 s −2 )2.1 × 1034

5.0 × 1034

1回のバンチクロッシングで複数の𝑝𝑝衝突が起きる
2012年のデータ中に見つかった25 vertex事象𝒁 → 𝝁𝝁~7cm

Run３では、平均50vertexらいパイルアップ事象
HL-LHCでは。。。
~100 vertex事象
1回のバンチクロッシングで平均~280のLHCではバンチ化した陽子ビームが衝突𝑝𝑝衝突が起きる。
従来の検出器では、あまりに多くの粒子が通過するため、鳴りっぱなしになってしLHC(2015) HL-LHC(2026)
まう。
89バンチ長(cm)⇒チャンネルを細分化し、放射線に強い7
バンチ直径(cm)検出器が必要。 8.5⇒Inner Detectorをすべてシリコン検出
11 × 1010
22 × 1010
バンチあたり陽子数器に置き換たITkにアップグレード。
5.0 × 1034
瞬間輝度(cm−2 s −2 ) 2.1 × 1034

1回のバンチクロッシングで複数の𝑝𝑝衝突が起きる
2012年のデータ中に見つかった25 vertex事象𝒁 → 𝝁𝝁

現在のLHCの典型的なパイルアップ

Run３では、平均50vertexらいATLAS Detector Upgrade for HL-LHC

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現在の内部検出器とITk―レイアウト比較
現在のInner Detector

ITk

Strip

Pixel

日本グループの分担
ストリップ
ピクセル

バレル部の半数のセンサーを製造
Layer 2-4の約1/4のモジュールを製造
Strip

Pixel

2023年度は、ストリップもピクセルも量産の段階。
• ピクセルはセンサー＋読み出しをモジュールに組み上げる作業。
• 製造品をCERNに送る前に測定し、性能をチェック=QC, Quality Control。
• 製造品をサンプリングし、放射線照射試験により放射線耐性をチェック=QA,Quality Assurance。

ストリップQC• 浜ホトにて写真撮影＋メトロロジ―、筑波大からはリモートでモニター、解析。
たわみ測定ピクセルモジュールの量産

日本グループで2,200モジュールを担当。

ピクセル量産中のKEKでのQC、QA測定
QC測定のセットアップ

センサーQA測定のセットアップ

ピクセルモジュールの量産• モジュール製作は、ハヤシレピック社内のクリーンルームで、ITk日本グループのスタッフ・学生がシフトを取って行う。

ピクセルモジュールの量産• モジュール製作は、ハヤシレピック社内のクリーンルームで、ITk日本グループのスタッフ・学生がシフトを取って行う。

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実験が始まった。節電要請の中で、短縮したビーム時間で最大のデータを取得する運転を行っている。
• Run3の13.6 TeVデータの解析結果が、すでにいくつか公表されている。
– 𝜎𝑡𝑡ҧ /𝜎𝑍– 𝐻 → 𝛾𝛾, 𝐻 → 𝑍𝑍 ∗ → 4ℓ
• Run2データの解析も、続いている。
• ＩＴｋの量産体制について– ストリップセンサーの量産が順調に進んでいる。
– 2023年度にはＰｉｘｅｌモジュールのＰｒｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎが本格化する。
30

backup31

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, …
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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

33

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。

34

Detector Coordinates

Pseudo-rapidity35

World Averages of Heavy Particle Masses
Prog. Theor. Exp. Phys.2020, 083C01 (2020) and 2021 update

Mass (GeV/𝒄𝟐 )Precision

Contributing
Experiments

discovery𝑊

80.387±0.016±0.02%

LEP, Tevatron, LHC

1983

𝑍

91.1876±0.0021±0.002%

LEP

1983

𝑡𝑜𝑝

172.76

±0.30

±0.2%

Tevatron, LHC

1995

𝐻𝑖𝑔𝑔𝑠

125.25

±0.17

±0.1%

LHC

2012• Improving top quark mass is challenging, due to top quark engagement withstrong interaction.
• Higgs measurement still have room for improvement, both for systematic andstatistical uncertainties.
• W boson mass measurement is at ±0.02% precision.
• Measurement technique is mature, and improvement is most challenging!

36

Profile Likelihood Fitting• Template fittingでは、統計不確かさのみを考慮して 𝜒 2 を 最小化していた。
• PLHでは、系統不確かさに関するパラメータも最適化しながらフィットが行われる。

Bin 𝑖 of event category 𝑗
𝑛𝑗𝑖 number of events in (𝑗𝑖)
𝜃 Nuisance Parameter for each systematic source
𝜇 parameter of interest, e.g. 𝑚𝑊
𝜈𝑗𝑖 = 𝑆𝑗𝑖 𝜇, 𝜃Ԧ + 𝐵𝑗𝑖 𝜇, 𝜃Ԧ37

Template vs PLH fit results𝒑ℓ fit𝒎𝑻 fit𝑚𝑊 中心値のシフト -16 MeV

𝑚𝑊 中心値のシフト -12 MeV

𝒑ℓ と𝒎𝑻 のコンバインドフィット結果比較：
Template
87370 ± 19 MeV
PLH

80355.1 ± 15.6 MeV

38

Pseudo Exp. results• 系統不確かさNPをふりながらのPEでは、𝑝ℓ フィットの揺らぎ
は16 MeV39

Parton Distribution Functionとは• 陽子の𝑝𝑧 のうち、反応するパートンがもらう割合𝑥の確率密度関数• 過去のいろいろな実験のデータをフィットすることで経験的に決まっている
𝑝𝑧𝑥1 𝑝𝑧−𝑝𝑧−𝑥2 𝑝𝑧40

PDF Dependence•••

ATLAS-CONF-2023-013

NNPDFは、Zボソンのrapidity分布など、データと整合がよくない場合がある
NNPDF以外では、𝑚𝑊 のフィット結果はPDFを変えても4MeV以内しかシフトしない
CT18をnominalとし、𝑝ℓ と𝑚 𝑇 をコンバインして最終結果は
𝑚𝑊 = 80360.4 ± 16.3 MeV（CT10では、80355.1 ± 15.6 MeVだった）

41

ATLAS 2018と2023とCDFの結果の比較
2018 ATLASの不確かさテーブル

2018

87370 ± 19 MeV

2023

80360.4 ± 16.3 MeV

CDF

80433.5 ± 9.4 MeV

2018 ATLASの不確かさテーブル

2023 ATLASの不確かさテーブル

42

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

13.652.23

14.0

54.72

𝒒𝒒 → 𝒒𝒒𝑯

𝒒𝒒 → 𝑽𝑯

43

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。

44

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

45

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%

4.0746