ＬＨＣの現状と最近の成果 建設中のLHC加速器 （ 21 Jun 2006 ） 2011年4月21日 筑波大セミナー 近藤敬比古（ＫＥＫ） 2003.7.24 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

LHCの完成と運転 2008.9.10 450GeVビームの周回に成功 2008.9.19 のヘリウム漏れ事故 2009.11.30 世界最高エネルギー達成 2010.3.30 ７TeV衝突成功@アトラス実験室 2011/4/21

LHC 加速器と実験装置 energy (pp) 7+7=14 TeV 7 TeV (50 %) C M S 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 1.15×1011 (100%) bunch number 2808 336 (12 %) ATLAS LHCb 2011/4/21

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

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

なぜ14TeVに出来ないか？ 超伝導電磁石の クエンチ 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

アトラス実験装置 2010年の運転実績 : 数字は稼働％ 2 4 6 8 n/collision 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 2010年の運転実績　:　数字は稼働％ 2011/4/21

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 LHCb https://lhcb.web.cern.ch/lhcb/temporary/LHCb_Results.html ALICE: http://aliweb.cern.ch/Documents/generalpublications 2011/4/21

Search for Supersymmetry Using …….PRL106,131802(2011) 本文 著者名 2011/4/21

アトラス実験メンバーの年齢分布 ATLAS 女性 男性 2011/4/21

標準理論の検証：Inclusive single jet 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 !! 2011/4/21

標準理論の検証： di-jet distribution ATLAS CMS Excited quarks (q*): M > 2.15 TeV Quantum Black Holes: M > 3.67 TeV Axigluons: M > 2.10 TeV 2011/4/21

標準理論の検証： Invariant mass of e+e- and m+m- ATLAS m(e+e-) CMS 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。 2011/4/21

標準理論の検証： Z → e+e-, m+m- ATLAS CMS Z → e+e- Z →m+m- 2011/4/21

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

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

SM Higgs →W W*→lν lν (l = e, μ) ATLAS CMS ATLAS-CONF-2011-005 Phys. Lett. B 699 (2011) 25-47 Higgsの 分布 Exclusion limits as function of MH has been presented in a mass range of 120 – 200 GeV. At 160 GeV a SM-like Higgs boson with a production rate of 1.2 times the SM value is excluded at 95% Confidence level using PCL. BDT: boosted decision tree 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) 2011/4/21

SM Higgs →γγ ATLAS CMS No report yet observed 83 events ATLAS-CONF-2011-004 No report yet observed 83 events background estimated 68.6±11.0±3.4 2011/4/21

SM Higgsの排除または発見の予想 ATLAS CMS ATLAS CMS CMS NOTE 2010/008 ATLAS-PUB-2011-001 　　 ATLAS CMS 7 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 GeV 7 TeV, 5 fb-1 5σ発見領域 135 ~ 175 140 ~ 230 GeV 2011/4/21

階　層　性　問　題 2003.7.24 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。 H mH　に対する量子補正の式 H SUSY粒子によるmHに対する量子補正 2011/4/21

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 1016 電弱スケール Planckスケール 4+2余剰次元の重力 標準モデルの３つの力 　　　力の強さ　　　 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。 エネルギースケール

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 - (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。 暗黒物質の候補 LSP p 測定器 SUSY 粒子生成崩壊例 2011/4/21

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） 　　　　　　　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

CMSSMモデル（mSUGURA） 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 2003.7.24 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 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>/<vd> m ±１(Higgsino mass の符号） ・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。 M3 M1 M2 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

暗黒物質 Dark Matter Relic density of cold 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 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 ３°Ｋ宇宙背景輻射 2011/4/21

膨張する宇宙の熱力学 ：冷たい暗黒物質の密度計算 Co-annihilation Region 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。 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. 2011/4/21

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

SUSY粒子の探索 ATLAS CMS (1) 1 lepton + jets+ missingPt (1) jets+ missingPt CMS-PAS-SUS-10-005 PRL 106, 131802 (2011) (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 (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

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

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

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

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