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LHC 実験の現状と展望 その２

LHC 実験の現状と展望 その２. 陣内　修 （東工大理工学研究科） 北大ウィンタースクール＠北海道大学　 2011/02/07-09 . PbPb の件. 1.38TeV/ 核子 √ s NN =2.76TeV Pb energy ~ 1.38TeV*200~276TeV. 今日と明日お話したいこと. LHC 実験 ( アトラスの話がメイン ) の基礎 LHC 加速器の話 アトラス検出器の話 測定したもの → 物理事象再構成 をなるべく理論屋さん（とこれから理論屋 さんになる人）の心にも残るように 2010 年に取得したデータから

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LHC 実験の現状と展望 その２

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  1. LHC実験の現状と展望その２ 陣内　修 （東工大理工学研究科） 北大ウィンタースクール＠北海道大学　 2011/02/07-09

  2. PbPbの件 • 1.38TeV/核子 • √sNN=2.76TeV • Pb energy ~ 1.38TeV*200~276TeV 陣内　LHC/ATLAS

  3. 今日と明日お話したいこと • LHC実験(アトラスの話がメイン)の基礎 • LHC加速器の話 • アトラス検出器の話 • 測定したもの→物理事象再構成 をなるべく理論屋さん（とこれから理論屋 さんになる人）の心にも残るように • 2010年に取得したデータから • 現在、どこまで行っているのか • 今年、近未来どんな物理を狙っているか • run plan 昨日 本日 陣内　LHC/ATLAS

  4. ルミノシティについて • Nevents = luminosity [pb-1] x cross section [pb] • LHCが供給したのは48.1pb-1, ATLASは45.0pb-1記録（93.6%）！ • 解析チャンネルに依るが、quality cut後解析では実質35pb-1程度が使われる。 • ９月のフラットはbunchが増えたため、crossing angle（0.3mrad）の調整をしていた（368bunchまで）。 各検出器における Good quality dataの割合 主要なものはほぼ100%近い (LarはHV tripとノイズburstによるもの、部分的に回復中) pp run　に関して 陣内　LHC/ATLAS

  5. ハドロンコライダーの断面積について • 3.5TeV陽子中のパートンがどれだけ運動量を運ぶかは全て確率に支配される • 小さなxが圧倒的に多いので、ケチな事象ばかりが出来る • 重いものを作るのはより高いxが必要。→確率は低い　 例： Higgs 100GeV  x=100/3500=0.014 gluino 1000GeV  x=1000/3500 = 0.14 fij: PDF 陣内　LHC/ATLAS

  6. 35pb-1＠LHC • イベント数＝ルミノシティ x 断面積 70mb  2.5x1012 events MB（ミニマムバイアス） 注：わずかな割合でしかデータを取ってません 17pb (MH=120GeV)  600 events 40億回の衝突事象に一度の頻度でHiggs生成 が起こる可能性（更に崩壊率がかかる） 7 陣内　LHC/ATLAS

  7. ソフトな物理 p p • 所謂Minimum Biasと呼ばれる事象 • 初期の検出器調整、理解にとってとても重要 • 後のハード事象に背景事象としてかぶって来る(pile-up事象) 7 陣内　LHC/ATLAS

  8. Soft QCDのtuning 1012.5104v1 • 非摂動領域のQCD：多くの現象論モデルがありデータ＠LHCエネルギーが渇望されていた • Event generator MCの不定性が大きい→データでtune必要 内部飛跡検出器で荷電 粒子のpTを測る AMBT1: ATLAS 0.9, 7TeV dataを使ってtune その他：Tevatron Run IIまでのdataでtune 陣内　LHC/ATLAS

  9. Soft QCD プロットを幾つか • AMBT1: ATLAS 0.9, 7TeV dataを使ってtune • その他：Tevatron Run IIまでのdataでtune • 様々な分布を一度にfitするので完全にfit出来るmodelはない 1012.5104v1 Nevent vs. Nch Neventvseta pTの平均値 vs. Nch 陣内　LHC/ATLAS

  10. Soft QCD 現状 1012.5104v1 • 0.9TeV : 3x105ev • 2.36TeV : ~6000ev • 7TeV : 107ev pp inelastic散乱データ 低いpT領域（非摂動）でdata>MCの傾向 √s依存性は制限を設けることが出来ている Neventsvs. √s 分布 陣内　LHC/ATLAS

  11. 共鳴粒子の再発見 スライド上半分はCMSのものを失敬してきました。。。 Ω 2009 2010 Ks 陣内　LHC/ATLAS

  12. Jetの物理 • パートン同士のカラー交換（主にtチャンネル） • 所謂、di-jet事象 • high-pT　QCDの検証 • 新しい物理（新粒子、高いエネルギーでの構造）などが間接的に見える可能性 p p など 7 陣内　LHC/ATLAS

  13. 2jet事象　生成断面積 • 黒丸：測定点（統計誤差＋ルミノシティ） • 紫バンド：　Jet scaleなど（測定系統誤差） • 赤バンド：　（ren/fac) scale依存性 • 6桁もの広い範囲でデータvs.MCは非常によく合っている arXiv:1009.5908 [accepted by EPJC] leading jet に対する角度の分布 multi-partonの事象を理解・再現する上で 精密な検証が必要 ATLAS-CONF-2010-083 陣内　LHC/ATLAS

  14. 2jet事象で新物理探索 新粒子 ex) exicted quark (qg->q’->qg) 2 high pT jets 不変質量分布にピークを作る シンプルな故に“何か”を見つけ易い ATLAS-CONF-2010-093 Highest mass event : mjj = 3.7 TeV まだ10倍の統計がある 今後は Jet Energy scale PDF (theory) の不定性を抑えて行く アトラスが出したexclusion region 0.3 < m < 1.53 TeV Tevatron limit を0.7 TeV更新！ 陣内　LHC/ATLAS

  15. W、Zの物理 l± • 1983の歴史的発見(UA1,&UA2)を再発見！ • 断面積も高く、検出器の理解を深めるために重要な究極のツール • レプトン系の検出効率、トリガー効率の測定 • Zll (検出器較正) • W->ln(top物理の理解) W p p ν l+ Z p p l- 7 陣内　LHC/ATLAS

  16. W、Z事象例 EM カロリメータ 陣内　LHC/ATLAS

  17. W,Z　事象数 W/Z 断面積比 • どうやってIDするか • W：lepton + neutrino • pT(lepton)>20GeV • mET(neutrino)>25GeV • Z : 2 leptons • pT(lepton)>20GeV • 不変質量 ~ 90GeV 2010のrunでは 2.5x105 W events, 2.3x104 Z events 観測済 arXiv:1010.2130 [accepted by JHEP] NNLO計算とも よく一致 陣内　LHC/ATLAS

  18. W: 新物理探索のbackground理解に向けて • Wは本物のmETも持ち新物理のBGになる、これをどう制御するか、どう役立てるか • Wからの崩壊はmT=80GeV付近にヤコビアンピークを作る • mT<100GeVを取ることでWを多く含んだコントロールサンプルを作ることが出来る 未知のゲージ粒子（レゾナンス）探索 主にはエネルギーの高い所で分解能 が良くなるelectron channelが有望 mW’>465 GeV (0.3pb-1) (現リミットはD0,1.0TeV PRL100(2008),031804) ~10pb-1 (~1fb-1)でmW’>1(2)TeVまで迫れる 2010のデータで1.1TeV付近まで探索可 陣内　LHC/ATLAS

  19. l ν topクォークの物理 B jet • TOPはユーラシア大陸にも存在するのか?! • gluon生成が主(164.5pb(NLO,7TeV))でTevatronよりも1.5桁増える(14TeVでは２桁) • 非常に重く、質量などの正確な測定は新しい物理への感度がある • top-antitopの事象はSUSY/Exotic事象に酷似「昨日の友は今日の最大の敵」に • top BGをうまく調教できるかがLHC物理の鍵 W top quark p p top quark jet Wはlepton+neutrinoか hadron jetsに崩壊 W B jet jet 7 陣内　LHC/ATLAS

  20. top生成+崩壊 • 2Wの崩壊によって３つに分類 • bbqqlv (一番有望、WからのBGが多い)　 • bblvlv (奇麗だが、2vのため質量較正出来ない、断面積小)　 • bbqqqq(トリガー難しい、今はlow priority) • Event selection semi-leptonicモード leptonicモード hadronicモード leptonicモード 6.5% semi-leptonicモード 37.9% • 2 lepton (e/mu) pT>20GeV（逆電荷） • 2 jets pT>20GeV • ee(mm)の場合DYを落とすためにZ質量付近5(10)GeV以内はcutmissET>40(30)GeV • em : HT(leptons+jets)>150GeV (suppress Z+jets) • 1 lepton (e/mu) pT>20GeV • missET>20GeV (reject QCD) • missET+MT >60GeV (reject QCD further) • at least 1 jet (pT>25GeV) + one of them b-tagged n bjet bjet e/m jet e/m e/m jet bjet bjet n n 陣内　LHC/ATLAS

  21. top-antitop事象（di-lepton）の候補 muon B jets electron 陣内　LHC/ATLAS

  22. b-taggingの威力 semi-leptonicモード • 3,≧4jets事象はtop pairである割合が高い • b-tag後top pairがdominant • Topを含んだMCだとdataを非常に良く再現 • ３jetsの不変質量分布（top->bW->bqq）はtop mass付近にもピーク at least 1 b-tag 要請後 Top-pairが生成されたことは ほぼ立証された 陣内　LHC/ATLAS

  23. top-pair 断面積測定(@√s=7TeV) • 理論値（NLO）と大きめの誤差（~35%） • では一致（CMS実験も） • 生成自体はどうやら疑いようがない • これからは誤差を減らし続ける • 検出器評価への強力な武器 • top-pairを良く知ることはBeyond SM物理のバックグランドの主要素を抑えることになる ２つのモードをcombineして（Brは仮定）評価 陣内　LHC/ATLAS

  24. SMを更にもう一歩(Di-Boson事象) • 動機 • SMのLHCでの更なる検証 • Triple Gauge Couplingの測定 • Higgs探索(特にZZ崩壊)の主なBG • ttbarよりも少し先 • WW=111.6pb • WZ=47.8pb • ZZ=14.8pb • ZZ以外は2010 dataで見える可能性 そんな候補の一つ Mμμ = 96 GeV 7 陣内　LHC/ATLAS

  25. 2010の成果 • 精密検証はまだまだこれからだが、2010のデータで既出のほぼ全てのSMチャンネルを網羅した これからはLHC物理の coreに迫って行く （HIGGS,SUSY,New Resonance, ED, etc） 7 陣内　LHC/ATLAS

  26. これから to 2011年and beyond 陣内　LHC/ATLAS

  27. Higgs hunting 陣内　LHC/ATLAS

  28. Higgs探索 • 標準模型Higgs探索 • 質量だけが唯一の未知パラメータ • 断面積、崩壊率全て計算出来る • モデル不定性が殆どない⇒精密測定の議論 • 超対称性Higgs探索 • 断面積、特性に違いは出るが基本探索手法は変わらない(例外：荷電Higgs)MSSMで断面積上がるchannelには大きなmotivation Tevatron最新LIMIT(2010July) 95%CLでexcludeした断面積を SM Higgsの断面積で割った値 SLD,LEP測定の間接結果より200GeV以下が有力 TeVatronは検出器の理解、解析・統計手法は成熟期 加速器は更に絶好調 （弱点）IDの寿命、加速器は2011秋に停止 人々は次々にLHCヘ流失 果たしてどちらが先に発見するか 陣内　LHC/ATLAS

  29. LHCでのHiggs生成・崩壊 ⊗ • 物理側のPropertyは全て計算済み • 各チャンネルで重箱の隅つつきも終了 • 現時点での検出器の理解(SM BGの評価をdata drivenで)も考慮されている • 後は？？　→　データが貯まるのを待つのみ 主な生成プロセス 崩壊 Vector Bosons (a) gg (b) ZZ (c) WW ⊗ or 断面積を取るか 低質量側 高質量側 特徴を取るか Fermions (d) tt (etc) bb, ttbar) 陣内　LHC/ATLAS

  30. ATLASの感度(Simulation最新) • 初期データなので：dataを用いたBG評価＋カットベースの事象選別を用いたconservative(robust)な解析手法を仮定 • 多彩なチャンネルを網羅γγ、ττ, Z/W+Hbb, WWℓnℓn,ZZ4ℓ, ZZℓℓnn, ZZℓℓbb 95% C.L. (Z=1.64) sensitivity 3sigma sensitivity • luminosity増強(5fb-1まで) • energy を78 or 9TeV • を期待 1以下の領域が排除出来る 115-130GeVの領域（γγ、ττ）が残る。 陣内　LHC/ATLAS

  31. SUSY探索 陣内　LHC/ATLAS

  32. SUSYin ハドロンコライダー • （MissingEtにより）質量ピークは作らず • 生成は強い相互作用なので断面積高い、カスケード崩壊するMulti-jets + leptons + Missing Et • 特徴はLarge Missing Et, Large effective Mass, isolated leptons BGはttbar, W&Z+jets, QCDなど、MC評価での不確定性高い→実験初期にはDataから直接評価することが必要 • R-パリティ保存： • 　必ずペア生成 • 　２つのLSP（一番軽いSUSY）が終状態に残る→検出にかからずMissingEt ( Meff= Σ4|pT(jet)| + EtMiss ) 陣内　LHC/ATLAS

  33. これまでconferenceなどでは70-350nb-1の時点のデータが紹介されて来たこれまでconferenceなどでは70-350nb-1の時点のデータが紹介されて来た • mono-jet channel (split SUSY) • Di-jet channel • 3-jet channel • 1-lepton (e,mu) + 2>=jets • 2-leptons + 2>=jets • + b-jets • １２月にCMSが35pb-1の結果を出したことに対抗して、ATLASもpreliminaryな結果を出した（1/25のChamonix LHC workshopで絵だけ紹介） 陣内　LHC/ATLAS

  34. https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/AtlasPublic/SusyPublicResultshttps://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/AtlasPublic/SusyPublicResults SUSY exclusion • public noteはまだ出ていないので内容詳細はXXXX • N.B. CMSは2jets inclusive + MET, Nevents=13 (arXiv:1101.1628)一方ATLASは1lepton+3jets inclusive+MET CMS > 0.6TeV ATLAS > 0.7TeV 陣内　LHC/ATLAS

  35. 余剰次元探索 陣内　LHC/ATLAS

  36. Exotic余剰次元探索 in ATLAS 標準模型の３つの力 • Yet another way to ... SUSY無しで階層問題を解決 我々の三次元空間 重力子のみ高い 次元に逃げ込める （一例） 4+2 余剰次元があると ニュートンの重力 F ～ 1/r2 1016 Planckスケール それ以外の粒子は 膜上に存在 LHC （電弱スケール） 従来の統一ポイント 力の強さ（log） • 日常隠れている高次元が高いエネルギースケールで現れる可能性 • ニュートン則から外れ、短距離で重力が急激に強まる • 1-10TeVで量子重力の効果が見える可能性がある（真のPlanck scale MD~TeV） • ATLASでは • (a) KK粒子が絡む物理チャンネル • (b) TeV scale gravity (ミニBH生成)　　　　などが熱心にstudy中 エネルギースケール 陣内　LHC/ATLAS

  37. (a) KK(Kaluza-Klein)粒子が絡む物理事象 • Universal Extra Dimensions (UED) • 全てのSM粒子が余剰次元バルクに広がる • SM粒子と質量以外同じ量子数を持つ粒子群（KK粒子）が存在 • ~TeVの励起状態(1/R)だとKK粒子は縮退→量子補正(ΛR)で広がる • SUSY likeな信号になる(jets+leptons+MissingET) • Large Extra Dimension (LED or ADD) • 重力子以外は(3+1)次元Braneに束縛 • 実重力子生成→モノ・ジェット • 仮想重力子交換→MJJ分布にbump • 歪曲した余剰次元（RS） • 重力子とSM粒子との同等の結合 • ex) 重力子共鳴ピーク in DY UED Mee RS 陣内　LHC/ATLAS

  38. UED 2photons + MET arXiv:1012.4272 (PRL accepted) • 2 isolated photons (loose ID) pT>25GeV • |eta|<1.81 (exclude crack region) • QCD BG (data driven estimate Zee+Di-jets) • control region (MET<20GeV) • Wenu BG (data driven) “W+γ”x (e fake γ） • signal region (MET>75GeV) • 0ev observed, 0.32ev expected 1/R < 728GeV (95%CL) (so far : D0 477GeV) 陣内　LHC/ATLAS

  39. (b) TeVスケール重力 • 余剰次元　effectiveにプランクスケールが下がる (MD: TeV付近) • ブラックホール生成（E>~5MD） • 一般相対論的生成 • parton間のimpact parameter< 2xシュワルツシルド半径の時 • 断面積 O(10pb) with MD=5TeV • ホーキング放射により一瞬で崩壊(10-27 sec) high pT, high multiplicity • string ball生成(E<~5MD) • BH生成エネルギーに達しなくても励起紐状態(?)が出来る • BH同様蒸発、同様の解析手法を使える n=2, MBH>5TeV Simulation 陣内　LHC/ATLAS

  40. 長期プラン（Upgrade) & 近未来プラン(2011-2012) 陣内　LHC/ATLAS

  41. LHC長期計画 ここのshutdownで 検出器Upgrade 今日本グループはここに 焦点をあてています （Silicon, Muon） ここのshutdownが １年ずれた 2020年 LHC高輝度化改造 2030年 LHC高エネルギー化改造？？ High-luminosity LHC (HL-LHC) High-energy LHC (HE-LHC) 陣内　LHC/ATLAS

  42. 2011 - 2012 runs and beyond • 2012 runはChamonix LHC WSで決定したofficial statement • 2011は7TeV collisionを続ける • 計画では2.7-3.7fb-1まで行く（当初1fb-1） • 2012のエネルギーはまだ未定 • Motivationは • もちろんSM Higgs！ • ATLAS+CMS combinedで 3σ full coverageを ~4.5fb-1で、5σ discoveryが12fb-1で出来る。 • Beyond SM 発見/exclusion領域をm>>1TeVに一気に押し上げ • 代償は >2yearsのLHC shutdown　（2013-2014） • 2014年以降はno idea、しかし当初の予定(2016 shutdown)はなくなった模様。 Tevatron@Fermi lab. はFY2011で終了するのでHiggs/SUSYは LHC実験の独壇場になる 陣内　LHC/ATLAS

  43. まとめ • 2010のデータを通して • 標準模型プロセスをほぼ網羅した • 検出器運転、較正への足場は築いた • 実験グループ全体での結果公表までの道筋も出来た • 2011-2012のデータ • Higgs, SUSY, Exotics全てに渡り大きな可能性 • この２年を過ぎて何も見えてこないと「いや、まだ、もう少し」の逃げ口上が使えなくなる • これは理論屋さんも同じ立場。御覚悟を。。。 ということで理論・実験合同で背水の陣で臨みましょう 陣内　LHC/ATLAS

  44. BACKUP SLIDES 陣内　LHC/ATLAS

  45. Hypothesis testing • 高エネルギー実験では「真実の物理モデル」を実験データを元に推定する上でHypothesis testingを行う • p-valueを計算しあるしきい値よりも小さい時にはhypothesisをrejectする • 95% C.L. はp-value=0.05⇒Z=Φ-1(1-0.05)=1.96(cf. 90% 1.645, 99% 2.54) • 5σ(Z=5)発見はp=2.87x10-7に対応 • significance (Z)があるhypothesiにおける実験の感度を表す 陣内　LHC/ATLAS

  46. Exclusion and Discovery EXCLUSION • H0: null hypothesis • Signal + Background • 検定をすることによってSignal強度に制限をかける • 例）測定された事象数をもとに、signalの断面積が95%CLでどこまで許されるかlimitをつける。 DISCOVERY • H0: null hypothesis • Background Only • もしH0のp-valueがあるしきい値よりも下回ったら、H1を考える必要が出て来る • 通常HEPではZ=5が発見の指標 • H1:alterhantive hypothesis • Signal + Background • 実験データを再現する(fit)するはず 陣内　LHC/ATLAS

  47. (a) Higgs→γγ • low mass で重要 • EMカロリメータのエネルギー＆位置分解能→　質量分解能が最細 • 解析はシンプル：trigger→ID→　fiducial&Isolation&pT cutseff=36.0% • BG はQCD(g-g, g-jet,jet-jet) 現在NLOで評価している • 実データからはサイドバンド利用 • g/jetの選別重要 • 困難さ • primary vertex reconstruction • photon conversions • ~50% イベントは少なくとも片方のgammaがconversion起こしている no jet requirement 1 jet requirement 陣内　LHC/ATLAS

  48. (b) H→ZZ→4ℓ • “golden”チャンネル • smoothなBGの上に質量ピークを作る • サイドバンドをBG評価に使える→系統誤差も少ない • reducible BGは主に • Zbb • ttbar b起源leptonを落とす（isolation, impact parameter (d0) cut） カロリメタisolation 陣内　LHC/ATLAS

  49. (c) H→WW→ℓν ℓν • 2MW<MH<2MZで特に重要（このモードが占有する） • 主２モード • H+0jet em+MissingET • H+2jet em+MissingET+VBF 2-jets (何故emか？ATLASはまだee,mm仕上げてません) • 質量ピークなし、代わりに横方向質量を使う • BGの多いチャンネル（WW, Wt, ttbar） leptonが同方向に出やすい 陣内　LHC/ATLAS

  50. (d) Vector Boson fusion ppqqH H->ttℓℓ4n / ℓq3n • 前方後方にジェット、大きな　rapidityギャップ • 重いhiggsからの崩壊物は検出器の中央へ • irreducible BG: Zttの肩に信号が乗っている、BGの評価非常に重要→データーから求める手法が必要 ttll (l=e ,m): 40fb ttl had: 140 fb サバイバル率：pile-upの効果 Jet, UEの効果MCによる違い<40% 陣内　LHC/ATLAS

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