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ＬＨＣの現状と最近の成果2011 年 4 月 21 日 筑波大セミナー 近藤敬比古（ＫＥＫ）　

建設中の LHC 加速器（ 21 Jun 2006 ）2011/4/21

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LHC の完成と運転

2011/4/21

2008.9.10 　 450GeV ビームの周回に成功

2010.3.30 ７ TeV 衝突成功 @ アトラス実験室2009.11.30 世界最高エネルギー達成

2008.9.19 のヘリウム漏れ事故

2011/4/21 3

ATLAS

C M S

ALICE

LHCb

LHC 加速器と実験装置

　　　　　　　　　 設計値　　　　　 達成値（ % ） 2011.4.20

energy (pp) 7+7=14 TeV 7 TeV (50 %)luminosity 1034 cm-2s-1 3.73×1032 (4 %)protons/bunch 1.15×1011

1.15×1011 (100%)bunch number2808 336 (12 %)

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積分ルミノシティ

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ATLAS での 7 TeV pp 衝突 の積分 Luminosity, 2011.4.20 現在(stable beam delivered)

Linear scale Log scale

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2006 年時の運転計画との比較

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2030

3000 fb-1

12 年の遅れ

実績（ 7TeV)

超伝導電磁石のクエンチ

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• 全 dipole magnet は地上でテストされ、 0-2 回ほどの training quench で11850A ＝ 8.33Tesla （ 7 TeV 相当）を越えた。

• 地下設置後は、 training で得た上昇分の一部が失われて quench 点が低くなるものがある。あるセクターでは 29 台以上ある。• １セクターでは１回の training quench に半日かかる。 2013-14 の加速器修理時に training quench を行ってエネルギーを上げる予定。

0 5 10 15 20 25 309000

9500

10000

10500

11000

11500

12000

5.340

5.540

5.740

5.940

6.140

6.340

6.540

6.740

6.940S45S56

Quench number

Que

nch

curr

ent [

A]

Corr

espo

ndin

g en

ergy

[TeV

]

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なぜ 14TeV に出来ないか？

72011/4/21

アトラス実験装置

2010 年の運転実績　 : 　数字は稼働％

バンチ衝突あたりの Luminosity が上昇し、数個のイベントが同時に起こる。　　ー＞ pile-up 対策が重要

2 4 6 8 n/collision

82011/4/21

LHC 実験の物理成果各実験グループの物理成果（論文・プロットなど）は Web 上で公開されている：

ATLAS: https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/AtlasPublic/WebHome#Physics_Groups

CMS:https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/CMSPublic/PhysicsResults

LHCbhttps://lhcb.web.cern.ch/lhcb/temporary/LHCb_Results.html

ALICE:http://aliweb.cern.ch/Documents/generalpublications

Search for Supersymmetry Using …….PRL106,131802(2011)

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本文

著者名

9

10

女性男性

アトラス実験メンバーの年齢分布ATLA

S

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標準理論の検証： Inclusive single jet

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ATLAS CMS

広い pT と rapidity 領域にわたって pQCD 計算との一致が非常によい。Cross section にして 10 桁も違うのに !!

標準理論の検証： di-jet distribution

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ATLAS CMS

Excited quarks (q*): M > 2.15 TeVQuantum Black Holes: M > 3.67 TeVAxigluons: M > 2.10 TeV

標準理論の検証： Invariant mass of e+e- and m+m-

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ATLAS CMSm(e+e-

)m(e+e-

)

m(m+m-) m(m+m-)

ーー＞エネルギー測定のよい検証になる。

標準理論の検証： Z → e+e-, m+m-

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ATLAS CMS

Z → e+e-

Z →m+m-

標準理論の検証： W, Z production cross section

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ATLAS CMS

W,Z の生成断面積やその比は理論と 1% レベルで一致する。 　 NNLOによる pQCD計算 と PDF分布が正しいことを示している。

標準理論の検証： top 対の生成

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しかし top mass はまだ精度が悪い：ATLAS 169.3 ± 4.0 ± 4.9 GeVCMS 175.5 ± 4.6 ± 4.6 GeVTevatron 2010 173.3 ± 0.3 ± 0.9 GeV

ATLAS CMS

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ATLAS-CONF-2011-005

SM Higgs →W W*→lν lν (l = e, μ)Phys. Lett. B 699 (2011) 25-47

赤線（＝１イベント）でわかるようにまだ積算ルミノシティが少な過ぎる。ATLAS < 1.2 × σ.BRSM @ mH=160 GeV (95%CL)CMS < 2.1 ×σ.BRSM @ mH=160 GeV (95%CL) Tevatron < 0.7 ×σ.BRSM @ mH=165 GeV (95%CL)

ATLAS CMS

BDT: boosted decision tree

2011/4/21

Higgs の分布

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ATLAS-CONF-2011-004

SM Higgs →γγ

observed 83 eventsbackground estimated 68.6±11.0±3.4

ATLAS

2011/4/21

CMS

No report yet

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ATLAS-PUB-2011-001

SM Higgs の排除または発見の予想

　　 ATLAS CMS7 TeV, 1 fb-1 95%CL 除外領域 128 ~ 480 　 135 ~ 480 GeV 7 TeV, 5 fb-1 95%CL 除外領域 115 ~ >500 115 ~ 600 GeV7 TeV, 5 fb-1 5σ 発見領域 135 ~ 175 140 ~ 230 GeV

ATLAS

2011/4/21

CMS CMS NOTE 2010/008

• 次の新しい物理がプランクスケール (1019 GeV) までないとき、ヒッグス粒子の質量 mH は大きな量子補正を受けて（スカラー粒子なので）

mH = 200 GeV

dmH = 1,000,000,000,000,000,000 GeV これは非常に不自然である（階層性問題）。

問題解決策　その① : 超対称性粒子の導入ヒッグスの２次発散の項を超対称性（ SUSY ）粒子で正確にキャンセルすることができる。

問題解決策　その② : 大きな余剰次元の導入　　　新しい物理が 1 ～ 10 TeV に存在する。 20

( ) ...../ln6216 cutoff

22cutoff2

22 ++- ee

eH mm

ym

mH 　に対する量子補正の式

( ) ...../ln42 16

~ cutoff2~

2cutoff2

~ 2 +- eee

H mmym

H H

H H

LR e~,e~

Re

Le

SUSY 粒子による mH に対する量子補正

階　層　性　問　題

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階層性問題解決への新しいアプローチ

エネルギースケール

4+2 余剰次元の重力電弱スケール Planck スケール1016

ニュートンの重力

F ～ 1/r2

重力は大きな次元のバルクにも広がるが、標準モデルの粒子は４次元ブレーンに閉じ込められている。

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　　　力

の強さ　

　　

標準モデルの３つの力

階層性問題解決その②：大きな余剰次元モデル

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• フェルミオン（半整数スピン）とボゾン（整数スピン）の交換の対称性• SUSY 粒子はまだ見つかってない 。 超対称性はソフトに破れていること。 • R パリティ保存則 - (SUSY 粒子 ) , + (SM 粒子）

LSP (Lightest Supersymmetric Particle) は中性で安定し物質と相互作用しない→暗黒物質のよい候補である。• LHC 実験では LSP が測定器から抜け、大きな横エネルギー Et の消失が起こる。

( ) SLBR 231 ++-

01

~ LSP

g~

g~

u

uq

qg

p

p

SUSY 粒子生成崩壊例測定器

階層性問題解決その①：超対称性粒子（ SUSY ）

暗黒物質

の候補

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超対称性粒子が期待される　　　　　　　理由① 　３つの力が 大統一できる。② 　ヒッグス粒子の質量の　　不安定性（微調整問題）　　の解決になる。③　暗黒物質の有力候補。 　　　　　　　　　大統一理論

力の強さはエネルギーと共に変化する。1 TeV付近に超対称性粒子が存在すると、３つの力が１点に交わり大統一が可能2011/4/21

超対称性粒子（ SUSY ）

５パラメーターで SUSY モデルを記述できる：m0 スカラーの共通質量＠MU

m1/2 フェルミオンの共通質量＠MU

A0 Higgs-sfermion-sfermion coupling

tan b MEMでの真空期待値比 <vu>/<v>

m ± １ (Higgsino mass の符号）・ＧＵＴ sale での質量は量子補正を受けて Q とともに変わる。それらは 26 個の繰り込み群発展方程式（ RGE ）で計算できる。・ EW の自発的な破れが自然に発生する。

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MU=2×1016 GeV のときのSUSY 粒子の mass の変化 [1]

M3

M1

M2

[1] G. L. Kane, C. Kolda, L. Roszkowski, and J. D. Wells, et al., Phys. Rev. D49(1994)4908

CMSSM モデル（ mSUGURA ）CMSSM: Constrained Minimum Super-symmetric Standard Model

2011/4/21

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銀河クラスター同士の衝突で暗黒物質（青）が分離された様子

暗黒物質　 Dark Matter

重力レンズ効果を用いた暗黒物質観測の３次元マップ

３ ° Ｋ宇宙背景輻射

銀河の回転速度

銀河クラスターの運動Relic density of cold

dark matterΩcdmh2 = 0.1143 ± 0.0034

2011/4/21

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宇宙は冷えていく途中で neutralino Xの消滅生成の熱平衡が凍結されて残存する密度は、 X と反 X が消滅する断面積 σX に反比例し計算できる。 CMSSM モデルを使って観測値

を満たす領域を m1/2-m0 平面で描くと４種類のグループに分けられる。

膨張する宇宙の熱力学 ：冷たい暗黒物質の密度計算

Ωcdmh2 = 0.1143 ± 0.0034

Bulk Region Focus Point . Funnel-like Region Co-annihilation Region

低い m0, m1/2 LSP が higgsinoになる。

tanbが高いところで mA が小さく s-channel annihilationが効く。

stau と neutralino がほぼ縮退して σ が大きくなる。

[1] J. Ellis et al., Nucl.Phys.B 238(1984)453. K. Olive Lecture on DM, arXiv:astro-ph/0301505v2.

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CMSSM モデルでの暗黒物質の存在領域

J. Ellis et al., Phys. Lett. B565(2003)176 による

暗黒物質が存在する領域

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PRL 106, 131802 (2011)

SUSY 粒子の探索ATLAS

2011/4/21

CMSCMS-PAS-SUS-10-005

(1) 1 lepton + jets+ missingPt (1) jets+ missingPt

321 jetT

jetT

jetTeff pppm ++ TPH missing/

(2) lepton pairs and large missing-Pt (3) identical flavour lepton pairs +missing-Pt (4) heavy particle decaying into e+m(5) missing-Pt and b-jets (6) sultilepton with jets and missingEt (7) stable hadronising squarks and gluinos (8) jets and missingPt

(2) inclusive for squarks and gluinos (4) 1 lepton + jets + missingPt (5) 1 lepton + photon + missingPt (6) multilepton signatures(7) same-sign di-lepton + jets + missingEt(8) b-tagged dijet + multi-jet + missingEt(9) 2 photons + missingEt (10) jets and missingEt

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SUSY 粒子の探索： CMSSM平面での制限ATLAS

2011/4/21

CMS

jets+ missingPt +0/1 leptn jets+ missingPt 他

・ Tevatron の limits(>400GeV) を大きく超えている。・暗黒物質の可能な領域のうち bulk region がほぼ排除された！

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SUSY 粒子の探索： squark, gluino の質量の下限ATLAS

2011/4/21

CMS

jets+ missingPt +0 leptn jets+ missingPt

結果：　 gluino, squak mass > 700 GeV

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重イオン衝突 : ジェット・クエンチング現象を発見ATLAS

2011/4/21

・正面衝突に近い事象を選ぶ。・反対方向に放出されるジェットのエネルギーが著しく小さくなる事象が多数観測された。・陽子・陽子衝突では見られない。・ 衝突でできた高温高密度の状態を通過するときにジェットのエネルギーが強く吸収される現象。

PRL105, 252303 (2010)

・ LHC 加速器は 2010 年から順調に動き出した。しかしエネルギーは設計値の半分、輝度は４％である。・　実験装置とデータ解析も順調にスタートした。・ 約 35 pb-1 のｐｐ物理結果が ATLAS,CMS から多く出された。標準理論との一致が非常によい。・ 超対称性粒子は 700 GeV程度まで存在しない。 CMSSM での暗黒物質の存在領域の一部分が排除された。・ Pb+Pb の重イオン衝突でジェットクエンチング現象が発見された。・ 2011,2012 の LHC 運転で数 fb-1 まで到達すれば、かなり広い質量範囲でヒッグス粒子の発見（または排除）が出来そうだ。

2011/4/21 32

ま　と　め