high luminosity lhc - kek...lhc実験 2017/10/31 flavor physics workshop 2017 3 3 large hadron...

High Luminosity LHC Physics

田中純一

東大素粒子センター

三浦マホロバ温泉

2017/10/31 Flavor Physics Workshop 2017 1

今日の講義内容• LHC実験、ATLAS実験の紹介

• HL-LHCの目的

• SUSYの見つけ方

• HL-LHCでのATLASトリガーの戦略

– パイルアップのお話

– Level 1トリガーの概略

• 時間があれば、Higgs物理

• まとめ


LHC実験


3

Large Hadron Collider 陽子・陽子粒子加速器実験

ジュラ山脈

CERNセルン(仏)サーン(英)

ジュネーブ国際空港

ATLAS

CMS

LHC トンネル- 周長約27km- 地下100m

LHCb

ALICE


山手線34.5kmLHCトンネル27km

現在、エネルギー6.5TeVの陽子同士を衝突させて、重心系エネルギー13TeVの事象（イベント）を生成。

13TeVは世界最高エネルギー


ATLAS検出器

CMS検出器

LHC加速器

6

ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)

- Tracking : Pixel, Silicon strips, TRT, 2T solenoid magnet- EM and hadron calorimeters - Muon spectrometer with air-core toroidal magnet

22m

44m

今年はATLAS誕生25周年

High-Luminosity LHC実験


加速器の強化ルミノシティ 2x1034cm-2s-1

5~7x1034cm-2s-1

エネルギー 14TeV (そのままの予定)

現在アップグレード１アップグレード2

HL-LHC 2026頃実験開始

10年で>2500fb-1/実験

8

ATLAS+CMS seminar at CERN at the 4th July, 2012

2013年ノーベル物理学賞

ヒッグス機構: ゲージ原理の下での「自発的対称性の破れ」素粒子の質量の起源

2012年7月: “ヒッグス粒子”発見@ATLAS&CMS


ヒッグスの発見で「標準模型」は完成。めでたし、めでたし？

「より整合性のある標準模型を越えた物理法則」の追求

– 超対称性（SUSY）

– 余剰次元

など

「標準模型」で説明できないこと、不満足な点

暗黒物質、暗黒エネルギーニュートリノの有限質量宇宙の「物質」優勢階層性問題 ( ヒッグス粒子がなぜ軽いか？)力の統一 (GUT and GUT+重力)世代数=3電荷の量子化模型の入力パラメータが多い…などなど「Theory of Everything」にはほど遠い

LHC実験・HL-LHC実験の目指す物理


➀新しい物理に直結する事象の発見

超対称性の発見余剰次元の発見…

➁標準模型からの有意なズレの発見

ヒッグスセクターの検証…

「標準理論」のパラメータ数=18- 結合定数 3- CKM行列 4- クォーク、レプトン質量 9- ヒッグス質量、真空期待値 2

世界最高エネルギー 13/14TeV

世界最高ルミノシティへ5～7 x 1034 cm-2s-1

標準模型では説明できない現象の発見より高度な理論的な枠組みの構築

LHCでのみ検証可能

トップクォークも圧倒的な数

相手（標準模型）も強者！

力の統一

11

Grand Unified Theory

GUT+Gravity(Theory of Everything)

Electro-weak Theory(=The Standard Model)

What w

e h

ave e

stablish

ed

What w

e a

re e

stablish

ing

1019GeV

1015-16GeV

現在の4つの基本的な「力」は本来1つの「力」ではないのか。宇宙誕生時に「力」はひとつだったのでは? （4つも必要か）

力の大統一

12

The strength of couplings depends on energy:a is not constant but a = a(energy)

SUSY （超対称性）あっていいのでは？

SUSYは暗黒物質の候補者(LSP)も提供する。Stringなどの理論モデルでは超対称性を要求。

SUSYの見つけ方


残念ながら、まだ見つかっておりません。皆さん、チャンスです。

14

標準模型粒子に対してスピンが1/2異なるパートナーが存在

宿題：なぜヒッグス粒子は数（黄色い丸の数）が異なるのか?

15

多段崩壊複数のジェットが存在が残る（R-parity保存）

˜ 10

High pT jets

LHCで生成されるであろう典型的なSUSY事象（R-parity保存の場合を考える）

Jets

Leptons

Leptons

Missing Energy

Missing Energy

特徴

R-parity

SM SM SMSM SUSY SUSYSUSY SM SUSY

SM SM SUSYSUSY SUSY SUSYSUSY SM SM

Missing ET Measurement

16

We cannot detect neutrinos and LSP (Lightest Supersymmetric Particle)with collider detectors.

Four momenta of initial partons are known in lepton colliders but not in hadron colliders. Even in hadron colliders, a transverse momentum is conserved.

0invisible

T

visible

T pp

visible

TpMET

METpp visible

T

invisible

T

Neutrinos and LSP

Missing ET

ET

0all

T p

0all

z p

(impossible to know the sum of pZ)

Hadron collider

神様しか知らない

横消失運動量、消失横運動量

17

MET of SUSY signal is larger than the SM background.

7年間、これを期待した。

期待通りのSUSYが生成されれば、LSP由来のMETに大きなExcessがあるはず。

18

Multi (+ leptons)

+ high PT jets (+ b-jets)

(+ t-jets)

E T

The effective mass meff=”SpT+MET” is also a useful variable.

SUSY Signal

Jets, for examplepT>40GeV

ATLASMonte Carlosimulation

LHC Strong SUSYの典型的な事象パターン（イベントトポロジ）のまとめ

19

8TeV arXiv:1405.787513TeV ATLAS-CONF-2017-022

So-called “strong 0-lepton” analysis: a best possible way to find the SUSY

“2-6 high pT jets + 0-lepton + large missing Et”

pT(jet)>130GeV, 60GeV, 60GeV

meff>2.2TeV

7 observed vs BG 5.0±1.2

pT(jet)>200GeV, 100GeV x 3

never give up

8TeV

13TeV

meff>2.2TeV

分布あっていない？説明します

23 observed vs BG 15.4±2.2

昔?

20

ATLAS-CONF-2017-022

Gluino mass > ~2TeV

Run 2の最新結果 (36.1fb-1 at 13TeV)

Strongのみならず「EW production探索」も重要に


今後のSUSY探索の感度 (300, 3000fb-1 at 14TeV)

Electroweak SUSY

基研研究会素粒子物理学の進展２０１７ 22

ATLAS-CONF-2017-039

直接チャージーノやニュートラリーノを作る。弱点 = 生成断面積的には小さい。

チャージーノとニュートラリーノの質量の差が小さくなると次のページ

Wino LSP (degenerated)


電荷をもつチャージーノはトラッキング検出器で検出可能ただし、途中で崩壊してニュートラリーノになるため、検出できなくなる。（Soft charged pionもlow pTのため（今のところ）検出できない。）トラッキング検出器の中で、途中で消えたような荷電粒子を探す。

チャージーノは縮退しているため、比較的長寿命(0.2ns)

ATLAS-CONF-2017-017

Ex) AMSB

縮退

pT分布と結果


ATLAS-CONF-2017-017

430GeV for 0.2ns lifetime

（実はHL-LHCではデザイン的にこの解析は分が悪い）

HL-LHCの挑戦

• 「瞬間ルミノシティ」の向上「パイルアップ」の増加本当に必要な事象をトリガーできなくなる。

• ハドロンコライダーは「トリガー」との戦い

– ピクセル・シリコン検出器以外のアップデートは、基本的にはトリガー改善のためのアップグレード

トリガーとの戦いとは？

「パイルアップ」とは何か？


加速器の強化ルミノシティ 2x1034cm-2s-1

5~7x1034cm-2s-1

エネルギー 14TeV (そのままの予定)

トリガーレートの上昇

• 「Single isolated EM object」に対するトリガーレートの上昇

– ET>25GeV 200kHz (アトラス全体でL1は100kHzしかない)

– 20kHzを維持 ET>50GeV程度 W/Z事象の取得ができなくなる。

21 Dec, 2015 新学術領域研究会テラスケール2015 26

L =2x1034cm-2 s-1

図の黒マーク■に注目

（これらのボソンの質量は？）

断面積とトリガーレート


2.5 x 10-13回

2.5 x 10-10回

2.5 x 10-7回

2.5 x 10-4回

2.5 x 10-1回

L=1034cm-2s-1

の場合、25nsの間に起こる事象の回数 L=1034cm-2s-1、

40MHzで衝突のもと例えば1nbの場合、25nsの間に2.5x10-7回1秒間に10回1年間（107秒）に108回

現在のATLASのトリガー性能L1 (hardware) 100kHzEF (software)

O(100)Hz~1kHz

L1

LHC

HL

トリガーが戦うべき相手は？

Current

Current

EF=Event FilterCPUファーム

28

「陽子 + 陽子 -> ジェット + ジェット」事象

~1.3TeVET~1.2TeV

Inelastic scatteringMulti-jets eventsQCD events などと呼ぶ

29

proton

proton

実際は「ある1点」で起こっていると考えてよい。

p±

p0

p0

p0

p±

p±

e

e

B

m

実際にこれだけが起こっているか？ No

30

proton

proton

p±

p0

p0

p0

p±

p±

e

e

B

m

- 陽子は残りカス(remnant)を持つ(素粒子ではない)- 陽子ビームは「陽子の塊(バンチ)」~1011個

ほとんどの陽子は相互作用せずに通過。でも、いくつかの陽子は衝突する。これを「パイルアップ(pileup)」という。（「in-time pileup」ともいう）

この数は確率現象として計算可能

同一バンチ・バンチの衝突で2個の陽子ペアが衝突

31

H->ZZ->2e2m candidate

Pileup

32

Z->mm candidate with 25 proton-proton collisions (ATLAS)

Beam-axis

80mb x 1034 cm-2 s-1 / 40MHz = ~ 20 collisions/bunch crossing

Inelastic scatteringcross section(非弾性衝突の生成断面積)

InstantaneousLuminosity(瞬間ルミノシティ)

Rate of bunch crossing(LHCの1秒間でのバンチ衝突回数)

“a few mm” between vertices (~10cm in z)

Number of pileup (パイルアップ数)1バンチ衝突で生じる非弾性衝突の回数

1 bunch has ~1011 protons.

25ns

33

HZZ*eemm candidates with 25 vertices

34

Luminosityが低い場合（もちろん統計現象なので、パイルアップ数は衝突事に異なる）

もうひとつのPileup


隣のバンチで生じた信号の影響がある。

例）ATLAS LArカロリメータの信号の長さは600nsぐらい 25ns毎の衝突なので、場合によっては被る。 Out-of-time pileupという。

電磁カロリメータの信号

大きさの違う信号が連続した場合

1 sample = 25ns

tt event with <m>=200


12cm x 2.5mm

12cm

Reconstructed trackwith pT>1GeV

平均パイルアップ数=200

HL-LHCの「ATLASトリガー」（旧）戦略


7 x 1034 cm-2 s-1 における現行のL1での想定トリガーレート見たい「物理」からの要請

検出器のリードアウトの性能からの想定されるL1トリガーの制約（今後のUpgradeも含めて）

注意: MuonのトリガーはRPCやTGCで行っている。

もしMDTを含めてトリガー発行するなら、Rate=200kHz, Latency=20msが限界。

さらに分かっていること＝どうがんばっても今のL1トリガーでは、これ以上QCDを落とせない。他の情報が必要ということで「トラック」の登場！(MDTもその流れ)

CERN-2012-022 LHCC-I-023


7 x 1034 cm-2 s-1 における想定L1トリガーレート

運動量の分解能の向上ほしいものだけ取得（背景事象にも言える）

L1 MU20でトリガーできるTruth muon

カロリーメータはFull Granularityの情報が使えるが、それだけでは十分でない。

E/pのカットで1/(5~10)にする。(E … カロリメータ、 p … トラック)

Track trigger (hardware)- 現在 FTK (Fast TracKer Trigger)コミッショニング中

高性能化- ~10msでトラッキング「できるはず」- RoI (L0トリガーから) の部分のみのトラッキング

内部飛跡検出器のトラック

（事象全体のトラックを40ms程度で再構成@3x1034）

HL-LHCの「ATLASトリガー（旧）」


現行 L1 100kHz, 2.5ms HL-LHC L0+L1 200kHz, 20ms

ハードウェアトリガーの部分をL0、L1と呼ぶ。L0はRun3をベースにしたシステム、L1はHL-LHCに向けてアップグレード

L1でトラックを使う！運動量分解能向上

HL-LHCの「ATLASトリガー（現行）」


これまで説明したトリガー戦略は2012年以前に考えたこと

現行のデザインはL0のみで、Rate=1MHz, Latency=10ms MuonとCalorimeterだけでなんとかなる。そういうReadoutにすることを要請

GlobalTrigger

CTP(CentralTriggerProcessor)

NSW Triggerも

トラックはL0で使わないアイデアは残す：L1導入の可能性有り（技術的、かつ、物理からの要請）

L0A

HTT = Hardware Tracking for Trigger

(EF output … up to 10kHz)

Higgs物理


Higgs Production at LHC

42

これが多いなぜ？

https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/LHCPhysics/LHCHXSWG

ttHがない…ミスかも(125GeV付近はbbHとほぼ同じ)

MH=125GeV54.7pb (ggF), 4.28pb(VBF), 1.51pb(WH), 0.99pb(ZH), 0.61pb(ttH), 0.55pb(bbH) (14TeV)

Higgs Decay Channels

43

Higgs particles decay into two particles (except for 4-point self-coupling)

125GeV

125GeV SM Higgs (YR3, arXiv:1307.1347)

（ゼロが多いのはご愛敬）

125GeVはなんでも見える質量我々はラッキー

Why “Coupling Measurements”?

44

A propaganda plotbefore the LHC startThis is one of LHC goals!

WARNING:This plot hasNO real data

2

vgm i

i

Yukawa couplings gi

i … leptons and quarks

We can measure both gi and mi.

This “linearity” is really important feature of SM Higgs.

宣伝プロット

LHCとHL-LHC

2017/10/31 Flavor Physics Workshop 2017 455s（発見）の指針

実際の測定結果

見つけるのには苦労したが、見つかった後は素直？

1506.05992ヒッグスも精密測定へSUSY (elementary) Composite Higgs

よく使われる理論モデルに対してSMからのズレを言うには、数%の精度が必要

ILCが必要な理由

Higgs Self-Coupling

47

vM

HvHHvV

H

2

4

1 4322

The 4-point self-coupling is too small to observe it even in 100TeV.

v

M H

2SM

HHH 3

2

2SM

HHHH 3v

M H

Trilinear coupling

Quadrilinear coupling

The 3-point self-coupling is small but the full LHC program,“High-luminosity LHC” with 3000 fb-1 (~2037) might be difficult to probe it.ILC (1TeV) can measure this coupling with 10% accuracy.

(Note: x-sec(gg->hh)=41fb(14TeV), 1420fb(100TeV), x-sec(gg->hhh)=2.5fb(100TeV))

3点カップリング

4点カップリング

Self-coupling at HL-LHC

ATLAS-PHYS-PUB-2017-001

|Δλ/λ| = ~4 |Δσ/σ|

傾き(微分)

断面積測定精度カップリング測定精度2σ 200%5σ 80%

ATLAS 3000fb-1

bbgg 1.05σ (stat only)bbbb 4σ (stat only)

0.48σ (stat+syst)bbtt 0.6σ (stat+syst)

ttHH 0.35σ (stat only)

CMS 3000fb-1

bbgg+bbtt 1.9σ (stat+syst)

HL-LHCでもかなり厳しい。しかし、改善はこれから。

まとめ• High-Luminosity LHCと絡めて

– LHCでのSUSYの見つけ方

– トリガー挑戦

• パイルアップ

• HL-LHCでのATLASトリガーの概略

– ヒッグス物理

をお話しました。

• HL-LHCも面白いです。

– 「Belle Belle II」と同じように、ある意味新しい実験です。

• エネルギーアップも?

– BでD論を取った後は是非LHC/HL-LHCに活躍の場を。

• アップグレード : 2024~

• データ取得 : 2026~

• Belle IIもLHC/HL-LHCも加速器実験

• 若手の皆さん、是非もりあげていきましょう。


もっとLHCの現状を知りたい方 12/25 「テラスケール研究会」@東大

https://indico.cern.ch/event/670256/

https://indico.cern.ch/event/670256/

バックアップ


Rotation Curve & Dark Matter

51

2

2

r

mMG

r

vm

r

GMv

We cannot explain this curve only with known matters(and/or our established theories).

Rotation velocity of our galaxy (milky way)

Solar system

- Atoms (known matters) 4.9%- Dark matter 26.8%- Dark energy 68.3%

52

Bullet Cluster (銀河団) 1E0657-56

X-ray (光学像)

Gravitational lense(重力レンズ像)

Ordinary matter＋

Dark matter？

What is “dark matter”? No answer yet

Two colliding clusters of galaxies

Bullet Cluster

53

bqqbqqbbWWttgqq

A proton is not an elementary particle. Many objects are produced from the remaining parts.

Hadron collider is a kind of “not clean” environment.Lepton collider is “clean” environment.

Rapidity and Pseudo-Rapidity

54

2tanln

In high energy physics, the mass of particles we used in the analysis issmaller than their momentum so that we can ignore the mass.-> Rapidity with m=0 is “Pseudo-Rapidity” η

cos1

cos1

2tan

cos

2

p

pz

θ

55

Spin 1/2 (Fermion), “Matter” Particles

Spin 1 (Boson),

Particles of force carrier

Spin 0 (Boson),

The origin of particle mass

「標準模型」の素粒子Gauge

Higgs

Quark

Lepto

n

Lightest Supersymmetric Particle

56

From the rotation velocity of galaxy,“Dark matter”, which is not ordinary matter,must exist. Also this is supported bythe measurements of WMAP, Planck etc.

The existence of “Dark matter” is confirmed by only space observations:Dark matter = WIMP (Weakly interacting massive particle) mWIMP~10-1000GeV

SUSY provides us a good candidate of the dark matter if a “R-parity” is conserved.

Lightest Supersymmetric Particle (LSP)

LSP is the lightest neutrarino (01) or gravitino.

1 WIMP (mWIMP=100GeV) per 7cmx7cmx7cm

Jet

57

“Jets” are reconstructed fromenergy deposits in calorimetersand/or tracks.

Calorimeter

Tracks(if charged)

トラッキングの改善とBG


Run2で改善した部分

バッググラウンドの一例“Hadron interaction”

ATLAS-CONF-2017-017

ATLASはRun1後の停止期間中に、Pixel検出器を1層追加しました！合計4層！

Charged pionが検出器（物質）と相互作用して、Charged pionsやNeutral pionsを生成する。


HL-LHC・アトラス検出器：内部飛跡検出器のデザインの一例

Kinematics at hadron colliders

• Beam direction = z

• x and y components of momentum is conserved but z not.

– At ee colliders, z is also conserved.

• px,py,pz are not used in pp colliders’ papers.

– pT(transeverse momentum)、(pseudo-rapidity)、f instead of px,py,pz

• px = pT･cosf

• py = pT･sinf

• pz = pT･sinh

• E = pT･cosh

– Pseudo-rapidity isa kind of polar angle.

• ||<2.5

• ||<3.2

etc

60

Rapidity

61

T

z

T

z

z

z

z

z

z

z

m

pE

m

pE

pE

pE

pE

pE

pE

pEy

lnln

2

1ln

2

1ln

2

12

2222222 , zTyxT pmEppmm

zz

z

z

E

p

Ep

Epy 11 tanhtanh

/1

/1ln

2

1

x

xx

e

e

ee

eex

x

x

xx

xx

1

1ln

2

1tanh,

1

1tanh 1

2

2

y

Z

Why Rapidity?

62

zz p

E

p

E

gg

gg

'

'

1tanh221

1ln2

1

1ln...

''

''ln'2

yy

pE

pE

pE

pEy

z

z

z

z

“y” is varied by a constant under Lorentz transformation.It means that the difference of y is Lorentz invariant.

Search with Di-Higgs

2016 June 13 LHCP2016 63

Only SM New Physics

Resonance searchNon-resonance search

This interference is destructive in SM.This could be changed in BSM.

In case of constructive interference,we expect large enhancement.The self-coupling measurement itselfis important.

In SM, only s=38fb at √s=13TeV We need to have as many eventsas possible. h(125)bb [BR=58%] is

promising but not good in term of trigger/analysis. The other h(125) can be bb/tt/WW/gg.

Inte

rfere

nce

hh decay channels

bbbbbbttbbWWbbgg

(X)hh

34%7.3%27%0.26%

BR Mass scale

High

Low

Higgs total width Gh

64

Recoil mass method

sZh x BR(h->XX) = s x G(h->XX) / Gh

∝ ghZZ2 ghXX

2 / Gh

We need another measurements to get the Higgs width Γ.X should be Z (ideally).sZh x BR(h->ZZ) ∝ ghZZ

2 ghZZ2 / Gh

①

②

The issue of this channel is “low yields” (small sxBR) at the ILC. We can use hWW instead of hZZ (with an assumption).

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