LHC ATLAS 実験

佐藤構二
宇宙史センター 構成員会議
2019年６月３日（月）1LHC実験

スイス・アルプス山脈

世界最高エネルギーでの加速器実験𝒔 ≤14 TeVでの陽子・陽子衝突2010年 LHC加速器稼動開始。
2011-12年 物理Run開始。Ecm=7 – 8 TeV, 25 fb-1のデータ取得。
2012年 LHC加速器のATLAS/CMS両実験がヒッグス粒子を発見。
2015-18年 エネルギーをEcm=13 TeVに上げてRun 2実験。
2021-2023年 Run 3。Ecm=13-14 TeV , ～300 fb-1のデータセット。
ジュネーブ市街
2026-203X年 HL-LHC実験。～3000 fb-1の大データセット。

CMS実験

ATLAS実験

円周27km2
陽子を最大7 TeVまで加速して正面衝突

LHCの長期将来計画

3

Accelerator LS2 Upgrades• 2019-2020: Long Shutdown (LS2) preparing for Run 3 in 20212023.

Key Plans for LS2 Accelerator Upgrades

https://home.cern/news/news/accelerators/key-plans-next-two-years-lhc• Preparation for HL-LHC, as well as Run
3 and maintenance.
• More intense, concentrated beam,with new Linac accelerating Hinstead of proton.
• Replace Linac 2 with new Linac 4.
• Upgrade Booster injection.
• New RF system in SPS.
• Bring beam energy up to 7 TeV.
• Consolidate the diodes providing
current to dipole magnets• ~20 magnet replacements, install newlifts, …

4•••
•
••
•

シリコン検出器
飛跡検出器
ソレノイド磁石
電磁カロリーメータハドロンカロリーメータ
トロイド磁石ミューオン検出器

ATLAS検出器

総重量 7,000 t• 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5オン衝突…

ATLAS LS2 Upgrades
L1 Calo Trigger Upgrade

New Muon Small Wheel
For L1 Trigger

arXiv:1810.01394v

FTK Upgrade – new track trigger in L2 trigger.
TDAQ Upgrade
Improvement on Jet and MET triggers, too.
6
Nucl.Instrum.Meth. 825 (2016) 374-378

Luminosities in Run 2
Run 1

𝑬𝑪𝑴 (𝐓𝐞𝐕)

integ lumi
[fb-1]

2011

752012821

𝑬𝑪𝑴 = 𝟏𝟑 (𝐓𝐞𝐕)
Peak lumiDays
pp physics

Recorded integ lumi[fb-1]

Good for Physics [fb-1]
累積

2015

0.5

56

3.9

3.2

2016

1.4

12236.036

2017

1.9

150

46.980

2018

2.1

152

65.0

139

Run 2 E34 cm-2s-1

Run 27

arXiv:1903.06248

Full Run 2 Dilepton Resonance Search
Dielectron invariant mass

Dimuon invariant mass

No significant excess, set limit on production cross section of heavy particle.

Lower limit on Z’ mass

8

ATLAS-CONF-2019-007

Full Run 2 Dijet Resonance Search
Dijet mass spectrum

𝒎𝒋𝒋 = 𝟖. 𝟎𝟐 𝐓𝐞𝐕

ここに数式を入力します。
Limit on excited quark model𝑚𝑞∗ > 6.7 TeV

9ATLAS-CONF-2019-008
Full Run 2
Chargino and Slepton Searches• Final states: 2ℓ + 𝑚𝑖𝑠𝑠𝑖𝑛𝑔 𝐸𝑇• Use stransverse mass 𝑀𝑇2

10

Supersymmetry Searches11標準理論の大成功

15桁にわたって、理論＝実験がよく合っている。

12

ヒッグス粒子発見の発表

2012年7月4日 LHC加速器のATLAS/CMS両実験が発見を報告
2013年 アングラール、ヒッグスがノーベル物理学賞を受賞

全Run 1データでのアップデート
2012年夏の結果

Phys. Lett. B 716 (2012) 1-29

２チャンネル合わせて5.9σ.

データが増えたため、ヒッグ
ス粒子のピークがよりハッキリ見える（Ｒｕｎ１終わりですでに）→これからは、ヒッグス粒子の精密測定の時代
Phys. Lett. B 726 (2013), pp. 88-119

Signal significance:
Observed: 7.4 σ
Expected: 4.3 σSignificance:
Observed: 6.6σ
Expected: 4.4σ

2013年夏の結果
14

Higgs Peaks - Run 1 vs Run 2
2018年夏(13 TeV, 80 fb-1)
ATLAS-CONF-2018-028

2017年夏(13 TeV, 36 fb-1)

JHEP 10 (2017) 132

Run 2はさらに多くのヒッグ
ス粒子を観測した。
↓
精密測定

データが増えたため、ヒッグ
ス粒子のピークがよりハッキリ見える（Ｒｕｎ１終わりですでに）→これからは、ヒッグス粒子の精密測定の時代
Phys. Lett. B 726 (2013), pp. 88-119

Signal significance:
Observed: 7.4 σ
Expected: 4.3 σSignificance:
Observed: 6.6σ
Expected: 4.4σ

2013年夏の結果
15

𝐻 → 𝛾𝛾、生成過程ごとの解析
ATLAS-CONF-2018-028
全𝐻 → 𝛾𝛾候補事象

キネマティックスによって、生成過程ごとのサブチャンネルを解析する。
gg->H

VBF

VH

ｔｔH

16

𝐻 → 𝛾𝛾、生成過程ごとの解析
ATLAS-CONF-2018-028
全𝐻 → 𝛾𝛾候補事象

キネマティックスによって、生成過程ごとのサブチャンネルを解析する。
gg->H

ヒッグス粒子の信号強度の測定では、
𝜇 = (𝜎 × 𝐵)/ 𝜎 × 𝐵 SM
VH
で結果を表す。
標準理論が正しければ
𝜇=1

VBF

ｔｔH

17

𝐻 → 𝛾𝛾、微分断面積 ATLAS-CONF-2018-028

18

ヒッグス粒子の性質(標準理論の計算)• 生成断面積
8 TeV

13 TeV𝑔𝑔 → 𝐻𝑞𝑞 → 𝑞𝑞𝐻

𝑞𝑞 → 𝑉𝐻

𝑔𝑔 → 𝑡𝑡𝐻

19

ヒッグス粒子の性質(標準理論の計算)
𝐻 → 𝑊𝑊/𝑍𝑍

𝐻 → 𝑓𝑒𝑟𝑚𝑖𝑜𝑛 𝑝𝑎𝑖𝑟

𝐻 → 𝛾𝛾さまざまな生成・崩壊モード• さまざまな測定を行い、標準理論を検証できる。
重心エネルギー8 TeV⇒13 TeV• 生成断面積は、2-5倍。
• Ｒｕｎ２では、たくさん作って様々なチャンネルで精密測定する。

• 崩壊分岐比 (𝑚𝐻 = 125 GeV)
𝑯 → 𝒃𝒃𝑯 → 𝝉+ 𝝉−

𝑯 → 𝝁+ 𝝁−

𝑯 → 𝒄𝒄

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%

4.07

20

Run1での信号の有意度

ＡＴＬＡＳ、ＣＭＳ個別3σ：”兆候が見えた“5σ：“発見した”•••メインの生成・崩壊過程の多くはRun 1で発見がすんだ。
ttH生成、𝐻 → 𝑏𝑏はRun2で検証していく。
ＬＨＣ Run 2では、一個一個の過程の理解を確立し、精密測定に入っていく。

ＡＴＬＡＳ＋ＣＭＳ

21

ATLAS-CONF-2015-044

Phys. Lett. B 784 (2018) 173

Observation of ttH production• Top quarkの湯川カップリングを直接測定• Combination of analyses with decays:– 𝐻 → 𝛾𝛾 (79.8 fb−1 )– 𝐻 → 𝑊𝑊/𝑍𝑍 → 𝑙𝑒𝑝𝑡𝑜𝑛𝑠 (36.1 fb−1 )– 𝐻 → 𝑏𝑏 (36.1 fb−1 )← 本多Ｄ論（2018）
Candidate eventのS/B分布 測定された信号強度
𝑯 → 𝜸𝜸イベント

単独だと、3.7σ
5.8 σ Observation(expected sensitivity: 4.9 σ)

22Phys. Lett. B 786 (2018) 59

Observation of 𝐻 → 𝑏𝑏
• bottom quarkの湯川カップリング• Combination of processes:– 𝑍𝐻 → (𝜈𝜈)(𝑏𝑏)– 𝑊𝐻 → ℓ𝜈)(𝑏𝑏– 𝑍𝐻 → (ℓℓ)(𝑏𝑏)
Candidate eventのS/B分布

𝒎𝒃𝒃 分布測定された信号強度

5.3 σ Observation(expected sensitivity: 4.8 σ)

23

ATLAS-CONF-2018-026

Search for 𝐻 → 𝜇𝜇

• 第３世代（𝜏, 𝑏, 𝑡)との湯川カップリングは確認できた。
• 第2世代粒子との湯川カップリングの発見を目指す– VBFに特化した信号領域を定義して解析感度を向上• 前後方dijet, high m(jj)gg-fusion生成

Vector Boson Fusion生成

信号強度
𝜇 = 0.1+1.0−1.1
信号強度のリミット：𝝁 < 𝟐. 𝟏 (𝟗𝟓% 𝑪𝑳)

24

ATLAS-CONF-2019-005
Combined Higgs Boson Coupling
Measurement

25

ATLAS-CONF-2019-005
Coambined Higgs Boson Coupling
Measurement

𝜇 = (𝜎 × 𝐵)/ 𝜎 × 𝐵 SM
26

ATLAS-CONF-2019-005
Coambined Higgs Boson CouplingMeasurement27

Higgs Coupling Measurement

Run 1 full data (CMS)

2019年春、Run 2 data半分くらい

28

ATLAS-CONF-2019-005

ヒッグス結合、Run 1結果との比較
ヒッグス結合の測定も、
𝜅 = 𝑔/𝑔𝑆𝑀で表す場合が多い。

2019年春Run 1フル・データ

ATLAS-CONF-2015-044

29

arXiv:1903.10415

Heavy Triple Gauge Boson Production• Test of non-Aberian gauge structure.
• SM predicts small cross sections:
𝜎𝑊𝑊𝑊 = 0.50 pb, 𝜎𝑊𝑊𝑍 = 0.29 pb.

30

Vector Boson Scattering Processes• Vector boson scattering involves– Triple and Quadratic Gauge Couplings– Higgs restores unitarity at high energies

31

JHEP 0811 (2008)

Vector Boson Scattering Processes

32Vector Boson Scattering• 前後方にdijet + vector bosonの崩壊• 𝑊 ± 𝑊 ± 𝑗𝑗 → ℓ± ℓ± + 𝑀𝐸𝑇 + 𝑗𝑗

• 𝑊𝑍𝑗𝑗 → 3ℓ + 𝑗𝑗

𝜎 𝐸𝑊𝐾 =
6.9σ observation(expected 4.6σ)

5.3σ observation(expected 3.2σ)

ATLAS-CONF-2018-030
VBSは、ちょうどプロセスが発見に達したところ。
これから、ヒッグスとの干渉について、精密検証を行う。

arXiv:1812.09740

33

ヒッグス自己結合測定• DiHiggs事象を探して解析する。
• DiHiggsは、２つのダイヤグラムの干渉が起こる。
• もし自己相互作用(𝜆𝐻𝐻𝐻 )がなければ、ＨＨ生成の断面積は２倍になる。
𝝀Expected event yields for 𝝀𝑯𝑯𝑯
𝑺𝑴 = 𝟏

ATL-PHYS-PUB-2014-019

34

Run 2でのDihiggs探索結果• まずはDihiggs事象を探している。
Dihiggs事象の生成断面積に対する上限

自己相互結合に対する制限−5.0 < 𝜅𝜆 < 12.1 𝑎𝑡 95% CL.

𝑺 → 𝒉𝒉事象の探索として、同じデータを解釈することもできる：(e.g. S=heavy Higgs)
35

JHEP 11 (2018) 085

荷電ヒッグス粒子に対する制約• 荷電ヒッグス粒子の信号は見つからず、データはバックグラウンドとよく一致した。
生成断面積に対する制約

ＭＳＳＭ（hMSSMシナリオ）に対する制約36

𝐻 + → 𝜏𝜈チャンネルとの比較• 𝐻 + → 𝜏𝜈チャンネルとは、感度のある領域が異なるため、ＭＳＳＭの解析という意味でも相補的といえる。
JHEP 11 (2018) 085

37

結論•••

LHCは2015～2018年のRun 2を終えた。
– 2019－2020はアップグレードのシャットダウン。
シャットダウン中はフルRun 2の139 fb-1データセットを解析する。（すでにいくつかの解析が出ている）– これまで公表されてきた物理結果は、36 fb-1(2015+2016)、80 fb-1(2015-2017)を使ってきた。
Run 2のデータで、標準理論を厳しく検証、新物理を探索し続ける。

Dielectron mass spectrum (139 fb-1)

Updated Higgs couplingmeasurements

SUSY Searches in manydifferent event topologies

バックアップ

39

40

41

𝐻 → 𝛾𝛾 Event CategoriesATLAS-CONF-2018-028

42

Top Spin Correlation

No spin correlation

SM pred.

• 𝑡𝑡 → 𝑊𝑏 𝑊𝑏 → (𝑒𝜈𝑏)(𝜇𝜈𝑏)• 𝑒と𝜇の間の角度相関。
• SM(NLO QCD)の予言値よりも強い相関がみられた。
•テンプレート・フィット
𝑛𝑖 = 𝑓𝑆𝑀 ⋅ 𝑛𝑠𝑝𝑖𝑛 + 1 − 𝑓𝑆𝑀 ⋅ 𝑛𝑛𝑜𝑠𝑝𝑖𝑛
フィット結果：𝑓𝑆𝑀 = 1.250 ± 0.026 ± 0.063• SMからのずれ： 3.2σ (syst込み)

43

Stefanie Todt at Corfu2018
VBSは、ちょうどプロセスが発見に達したところ。
これから、ヒッグスとの干渉について、精密検証を行う。
44

ATL-PHYS-PUB-2014-016

2023年ころ2035年ころ(?)

45