Search for Supersymmetry Using

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）
2011/4/21
建設中のLHC加速器
（ 21 Jun 2006 ） 1
LHCの完成と運転
2008.9.10 450GeVビームの周回に成功
2009.11.30 世界最高エネルギー達成
2011/4/21
2008.9.19 のヘリウム漏れ事故
2010.3.30 ７TeV衝突成功@アトラス実験室
2
LHC 加速器と実験装置
CMS
ALICE
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
bunch number
ATLAS
2011/4/21
2808
1.15×1011 (100%)
336 (12 %)
LHCb
3
積分ルミノシティ
Linear scale
Log scale
ATLASでの7 TeV pp衝突の積分Luminosity, 2011.4.20現在
(stable beam delivered)
2011/4/21
4
2006年時の運転計画との比較
3000 fb-1
2030
12年の遅れ
実績（7TeV)
2011/4/21
5
なぜ14TeVに出来ないか？
12000
S45
6.940
S56
6.740
6.540
11000
6.340
10500
6.140
5.940
10000
5.740
Corresponding energy [TeV]
超伝導電磁石の
クエンチ
Quench current [A]
11500
9500
5.540
Quench number
9000
0
•
•
•
5
10
15
5.340
20
25
30
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。
2011/4/21
6
アトラス実験装置
2
4
6
8
n/collision
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
2011/4/21
2010年の運転実績 : 数字は稼働％
7
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
LHCb
https://lhcb.web.cern.ch/lhcb/temporary/LHCb_Results.html
ALICE:
http://aliweb.cern.ch/Documents/generalpublications
2011/4/21
8
Search for Supersymmetry Using …….PRL106,131802(2011)
本文
著者名
2011/4/21
9
アトラス実験メンバーの年齢分布
ATLAS
女性
男性
2011/4/21
10
ATLAS
標準理論の検証：Inclusive single jet
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 !!
2011/4/21
11
ATLAS
標準理論の検証： di-jet distribution
CMS
Excited quarks (q*): M > 2.15 TeV
Quantum Black Holes: M > 3.67 TeV
Axigluons:
M > 2.10 TeV
2011/4/21
12
標準理論の検証： Invariant mass of e+e- and m+mATLAS
m(e+e-)
CMS
m(m+m-)
2011/4/21
m(e+e-)
m(m+m-)
ーー＞エネルギー測定のよい検証になる。
13
標準理論の検証： Z → e+e-, m+mATLAS
CMS
Z → e+e-
Z →m+m-
2011/4/21
14
標準理論の検証： W, Z production cross section
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。
2011/4/21
15
標準理論の検証： top対の生成
ATLAS
CMS
しかしtop massはまだ精度が悪い：
ATLAS
169.3 ± 4.0 ± 4.9 GeV
CMS
175.5 ± 4.6 ± 4.6 GeV
Tevatron 2010 173.3 ± 0.3 ± 0.9 GeV
2011/4/21
16
SM Higgs →W W*→lν lν (l = e, μ)
ATLAS
CMS Phys. Lett. B 699 (2011) 25-47
ATLAS-CONF-2011-005
Higgsの
分布
BDT: boosted decision tree
2011/4/21
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)
17
ATLAS
SM Higgs →γγ
CMS
ATLAS-CONF-2011-004
No report yet
observed
background estimated
2011/4/21
83 events
68.6±11.0±3.4
18
ATLAS
SM Higgsの排除または発見の予想
CMS CMS NOTE 2010/008
ATLAS-PUB-2011-001
7 TeV, 1 fb-1 95%CL除外領域
7 TeV, 5 fb-1 95%CL除外領域
7 TeV, 5 fb-1 5σ発見領域
2011/4/21
ATLAS
128 ~ 480
115 ~ >500
135 ~ 175
CMS
135 ~ 480 GeV
115 ~ 600 GeV
140 ~ 230 GeV
19
階層性問題
• 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）。
eR
H
H
eL
m 
2
H
ye
2
16
2
- 2
2
cutoff

+ 6me2 ln(cutoff / me  + .....
mH に対する量子補正の式
~e , ~e
R
L
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。
H
mH2 
H


y e~
22cutoff - 4m 2e~ ln ( cutoff / m e~  + .....
2
16
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。
2011/4/21
SUSY粒子によるmHに対する量子補正
20
階層性問題解決その②：大きな余剰次元モデル
階層性問題解決への新しいアプローチ
電弱スケール
1016
Planckスケール
4+2余剰次元の重力
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。
エネルギースケール
21
階層性問題解決その①：超対称性粒子（SUSY）
• 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
-
R  (- 13 B+ L+2 S
(SUSY粒子) , + (SM粒子）
~
g
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。
2011/4/21
p
p
u
u
q
測定器
~
g
q
g
SUSY 粒子生成崩壊例
~0

1
LSP
22
超対称性粒子（SUSY）
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。
2011/4/21
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
23
CMSSMモデル（mSUGURA）
CMSSM: Constrained Minimum Super-symmetric Standard Model
５パラメーターでSUSYモデルを記述できる：
m0
m1/2
A0
tan b
m
スカラーの共通質量＠MU
M3
フェルミオンの共通質量＠MU
Higgs-sfermion-sfermion coupling
MEMでの真空期待値比 <vu>/<vd>
±１(Higgsino mass の符号）
M2
M1
・ＧＵＴ scale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。
MU=2×1016 GeVのときの
SUSY粒子のmass の変化[1]
[1] G. L. Kane, C. Kolda, L. Roszkowski, and J. D. Wells, et al., Phys. Rev. D49(1994)4908
2011/4/21
24
暗黒物質 Dark Matter
銀河の回転速度
重力レンズ効果を
用いた暗黒物質観
測の３次元マップ
銀河クラスターの運動
Relic density of cold dark
matter
Ωcdmh2 = 0.1143 ± 0.0034
３°Ｋ宇宙背景輻射
2011/4/21
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
25
膨張する宇宙の熱力学：冷たい暗黒物質の密度計算
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
Ωcdmh2 = 0.1143 ± 0.0034
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。
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。
2011/4/21
[1] J. Ellis et al., Nucl.Phys.B 238(1984)453.
K. Olive Lecture on DM, arXiv:astro-ph/0301505v2.
26
CMSSMモデルでの暗黒物質の存在領域
暗黒物質が
存在する領域
J. Ellis et al., Phys. Lett. B565(2003)176 による
2011/4/21
27
ATLAS
SUSY粒子の探索
CMS
(1) 1 lepton + jets+ missingPt
PRL 106, 131802 (2011)
meff  pTjet 1 + pTjet 2 + pTjet 3
(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
2011/4/21
(1) jets+ missingPt
CMS-PAS-SUS-10-005
H  missing PT
(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
28
SUSY粒子の探索：CMSSM平面での制限
ATLAS
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！
2011/4/21
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SUSY粒子の探索：squark, gluinoの質量の下限
ATLAS
CMS
jets+ missingPt +0 leptn
jets+ missingPt
結果： gluino, squak mass > 700 GeV
2011/4/21
30
重イオン衝突 : ジェット・クエンチング現象を発見
ATLAS
PRL105, 252303 (2010)
・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。
2011/4/21
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まとめ
・ 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

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