博 士 論 文 概 要

早稲田大学大学院 先進理工学研究科

博 士 論 文 概 要

論 文 題 目

Evidence for the Higgs boson in the τ⁺τ^- final state and its CP measurement in proton-proton collisions

with the ATLAS detector

申 請 者

Yuki SAKURAI

桜井 雄基

物理学及応用物理学専攻 素粒子実験研究

2015 年 6 月

素 粒 子 物 理 学 標 準 理 論 は 、 非 常 に 高 い 精 度 で 予 言 能 力 を 持 ち 、 実 験 事 実 を 説 明 し て き た 。 標 準 理 論 で は ゲ ー ジ 不 変 性 を 破 ら ず に 粒 子 に 質 量 を 与 え る た め に 、 ヒ ッ グ ス 機 構 を 導 入 し て い る 。 ヒ ッ グ ス 機 構 で は 、 ヒ ッ グ ス 場 (ス カ ラ ー 場 )を 導 入 し 、 自 発 的 対 称 性 の 破 れ に よ っ て 真 空 が 期 待 値 を 持 ち 、 ゲ ー ジ 場 と 相 互 作 用 す る こ と で 粒 子 が 質 量 を 獲 得 す る 。 こ の ヒ ッ グ ス 場 を 媒 介 す る ス カ ラ ー 粒 子 が 、 ヒ ッ グ ス 粒 子 で あ る 。 こ の 機 構 か ら W/Z ボ ソ ン の 質 量 が 予 言 さ れ 、 実 際 に そ の 質 量 値 は 実 験 事 実 と 矛 盾 し な い 。 ま た ヒ ッ グ ス 機 構 は フ ェ ル ミ オ ン の 質 量 に 対 し て も 、 ヒ ッ グ ス 粒 子 と フ ェ ル ミ オ ン の 結 合 (湯 川 結 合 )を 導 入 す る こ と で そ の 質 量 起 源 を 説 明 す る が 、 そ れ は 実 験 的 に 湯 川 結 合 定 数 を 測 定 し 、 各 フ ェ ル ミ オ ン の 質 量 値 と の 整 合 性 を 確 認 す る こ と で 実 証 さ れ る 。 以 上 の 理 論 的 背 景 か ら 、 ヒ ッ グ ス 粒 子 の 実 験 的 発 見 、 及 び そ の 性 質 測 定 は 、 標 準 理 論 を 検 証 す る 上 で 非 常 に 意 義 の あ る 研 究 課 題 で あ る 。

現 在 ヒ ッ グ ス 粒 子 の 直 接 探 索 、 性 質 測 定 が 可 能 な 実 験 は 、 欧 州 原 子 核 研 究 機 構 に よ り ス イ ス ・ ジ ュ ネ ー ブ 近 郊 に 設 置 さ れ て い る Large Hadron Collider (LHC) 加 速 器 を 用 い た ATLAS、 CMS 実 験 で あ る 。 2012 年 の 両 実 験 に よ る ヒ ッ グ ス 粒 子 の 発 見 に 伴 い 、 ヒ ッ グ ス 粒 子 の 性 質 測 定 が 現 代 の 素 粒 子 物 理 学 に お け る 最 重 要 課 題 の 一 つ と な っ て い る 。 ボ ソ ン 対 崩 壊 過 程 に よ る 結 合 定 数 、 ス ピ ン 、 Charge-Parity(CP)の 測 定 結 果 は 、標 準 理 論 か ら の 予 言 と 無 矛 盾 で あ る 。こ れ ら の 実 験 結 果 か ら 、 W/Z ボ ソ ン に 対 す る 質 量 起 源 は 実 験 的 に 解 明 さ れ た と 言 え る 。 し か し な が ら 、 フ ェ ル ミ オ ン 質 量 起 源 の 解 明 の た め に は 、 ヒ ッ グ ス 粒 子 と フ ェ ル ミ オ ン と の 湯 川 結 合 の 観 測 が 必 要 不 可 欠 で あ る 。 フ ェ ル ミ オ ン 対 崩 壊 過 程 に お い て τ 粒 子 対 崩 壊 過 程 (H→ τ τ )は 、 分 岐 比 が 比 較 的 高 く 、 そ の 終 状 態 の 事 象 ト ポ ロ ジ ー を 用 い て 最 も 断 面 積 の 高 い QCD 背 景 事 象 を 効 率 よ く 除 去 で き る 有 効 な 探 索 過 程 で あ る 。 そ こ で 本 論 文 の 一 つ の 主 題 は 、 τ 粒 子 対 崩 壊 過 程 に お け る ヒ ッ グ ス 粒 子 の 探 索 で あ る 。 こ の 探 索 は 2011 年 、 2012 年 に ATLAS 検 出 器 を 用 い て 取 得 さ れ た LHC で の 陽 子 -陽 子 衝 突 デ ー タ を 使 用 し て お り 、そ の デ ー タ 量 は 重 心 系 エ ネ ル ギ ー 7TeV に お い て 4.5fb-1、 重 心 系 エ ネ ル ギ ー 8TeV に お い て 20.3fb-1 で あ る 。 さ ら な る 重 要 な 課 題 と し て 、フ ェ ル ミ オ ン 対 崩 壊 過 程 に よ る ヒ ッ グ ス 粒 子 の CP 測 定 が 挙 げ ら れ る 。上 記 の 通 り 、ボ ソ ン 対 崩 壊 過 程 で の 測 定 結 果 は 、SM か ら 予 言 さ れ る CP 偶 と 今 の と こ ろ 無 矛 盾 で あ る 。 フ ェ ル ミ オ ン 対 崩 壊 過 程 に お け る CP を 測 定 し 、 ボ ソ ン 対 で の 結 果 と の 整 合 性 を 検 証 す る こ と で 、 ヒ ッ グ ス 粒 子 の 本 質 的 解 明 が 可 能 で あ る 。 加 え て 、 フ ェ ル ミ オ ン 対 過 程 で 発 見 さ れ た ヒ ッ グ ス 粒 子 が 標 準 理 論 を 超 え る 理 論 (BSM)で 予 言 さ れ る CP 奇 状 態 を 持 つ ヒ ッ グ ス 粒 子 で あ っ た 場 合 、ボ ソ ン 対 に は 直 接 崩 壊 せ ず フ ェ ル ミ オ ン の ル ー プ を 介 し て 崩 壊 す る こ と か ら 、 フ ェ ル ミ オ ン 対 崩 壊 過 程 で の CP 測 定 は 、よ り 直 接 的 に BSM に ア ク セ ス す る こ と が

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で き る 。そ こ で 、本 論 文 の ２ 番 目 の 主 題 は 、τ 粒 子 対 崩 壊 過 程 を 用 い た ヒ ッ グ ス 粒 子 の CP 測 定 で あ る 。 こ の 測 定 は 、 8TeV 20.3fb-1 の デ ー タ を 用 い て お り 、 上 記 の 探 索 の 解 析 手 法 を 用 い た 高 感 度 領 域 に お い て 行 っ た 。

第 一 章 で は 、 理 論 的 背 景 と し て ヒ ッ グ ス 機 構 を 含 め た 標 準 理 論 の 理 論 体 系 を 記 述 す る 。 ま た 、 実 験 的 背 景 と し て LHC に お け る ヒ ッ グ ス 粒 子 の 生 成 、 崩 壊 過 程 に 関 し て H→ τ τ の 特 徴 と と も に ま と め る 。次 に 、H→ τ τ に お け る CP 測 定 に 関 し て 、 BSM の 代 表 と し て 2 Higgs Doublet Model を 挙 げ 理 論 的 背 景 を 述 べ る 。 ま た 、 ヒ ッ グ ス 粒 子 の CP に 感 度 を 持 つ 変 数 の 中 か ら 特 に 、 本 論 文 で 使 用 さ れ る τ τ 終 状 態 の 崩 壊 面 角 度 (Acoplanarity angle)に 関 し て 説 明 す る 。

第 二 章 で は 、実 験 装 置 で あ る LHC 加 速 器 と ATLAS 検 出 器 に 関 し て ま と め る 。LHC 加 速 器 に 関 し て は 、 陽 子 の 生 成 か ら そ の 加 速 機 構 ま で を 詳 解 す る 。 ATLAS 検 出 器 に 関 し て は 、内 側 か ら 飛 跡 検 出 器 、電 磁 カ ロ リ ー メ ー タ 、ハ ド ロ ン カ ロ リ メ ー タ 、 ミ ュ ー オ ン 検 出 器 を 、 そ の 構 成 、 及 び 検 出 原 理 に つ い て ま と め る 。

第 三 章 で は 、解 析 に お け る 終 状 態 を 構 成 す る 電 子 、μ 粒 子 、ハ ド ロ ン 崩 壊 す る τ 粒 子 (τ_{h a d})、 ジ ェ ッ ト 、 消 失 横 運 動 量 に 関 し て 、 そ の 再 構 成 法 、 同 定 法 を そ れ ぞ れ 述 べ る 。 本 論 文 で 特 に 重 要 な τ レ プ ト ン は ハ ド ロ ン 崩 壊 、 レ プ ト ン 崩 壊 を す る た め 、 そ れ に 従 っ て τ 粒 子 の 終 状 態 が 分 類 さ れ る 。

第 四 章 で は 、 主 題 の 一 つ で あ る τ 粒 子 対 崩 壊 過 程 に お け る ヒ ッ グ ス 粒 子 の 探 索 結 果 を 述 べ る 。本 論 文 中 で は 、τ 粒 子 の 崩 壊 に よ っ て 定 義 さ れ る １ 個 の レ プ ト ン と １ 個 の τh a dを 終 状 態 に 含 む チ ャ ン ネ ル に 焦 点 を 当 て 、そ の 解 析 法 と 結 果 を 述 べ る 。 ま た 、 他 の チ ャ ン ネ ル と 統 合 し た 結 果 を 最 終 結 果 と し て ま と め る 。 ま ず 、 信 号 事 象 と 背 景 事 象 を そ の 終 状 態 の 特 徴 と と も に 説 明 す る 。 次 に 、 解 析 に 使 用 す る デ ー タ と シ ミ ュ レ ー シ ョ ン サ ン プ ル に 関 し て 述 べ た 後 、 事 象 選 択 と カ テ ゴ リ ー 分 類 に 関 し て 記 述 す る 。事 象 選 択 で は １ 個 の レ プ ト ン と １ 個 の τ_{ha d}を 終 状 態 で 要 求 す る 。 カ テ ゴ リ ー 分 類 で は 、 終 状 態 に お い て ２ 個 の 高 運 動 量 ジ ェ ッ ト が 大 き な ラ ピ デ ィ テ ィ の 差 を も ち 観 測 さ れ る 事 象 を VBF カ テ ゴ リ ー に 、 ヒ ッ グ ス 粒 子 が ブ ー ス ト さ れ て 生 成 さ れ る 特 徴 を も つ 事 象 を Boost カ テ ゴ リ ー に そ れ ぞ れ 分 類 す る 。 ２ つ の カ テ ゴ リ ー に よ り 、 生 成 過 程 の 異 な る 信 号 事 象 は 別 々 に 解 析 さ れ 、 結 果 の 算 出 時 に 統 合 さ れ る 。 次 に 背 景 事 象 の 見 積 り に 関 し て 述 べ る 。 特 に H→ τ τ 探 索 の 主 要 背 景 事 象 の 一 つ で あ る τ_{h a d}を 誤 同 定 し た 事 象 を 、実 際 の デ ー タ を 使 用 し た 見 積 も り 法 と と も に 詳 解 す る 。 背 景 事 象 の 除 去 は 、 Boosted Decision Tree (BDT) を 分 類 器 と し た 多 変 量 解 析 に よ っ て 主 に 行 わ れ る 。 そ れ に 伴 い 、 BDT の 原 理 と 入 力 変 数 、 最 適 化 に 関 し て 記 述 す る 。 そ の BDT 出 力 値 に よ っ て 、 信 号 の 抽 出 と 結 果 の 算 出 を 行 う 。 次 に 、 事 象 数 の 見 積 り と BDT 出 力 値 に 影 響 を 与 え る 解 析 の 系 統 誤 差 を 、 種 類 別 に 精 査 し 詳 解 す る 。 こ れ ら の 系 統 誤 差 を 考 慮 に 入 れ 、 BDT 出 力 値 に

No.2

対 し て 最 尤 度 法 を 用 い た フ ィ ッ ト を 、 全 て の カ テ ゴ リ ー 同 時 に 行 う こ と で 最 終 的 な 信 号 の 抽 出 を 行 っ た 。 こ れ に よ り 、 実 測 値 と し て 2.4σ (標 準 理 論 を 過 程 し た 場 合 の 期 待 値 と し て 2.3σ )の 信 号 有 意 度 を 結 果 と し て 得 た 。ま た 、標 準 理 論 の 期 待 値 で 規 格 化 し た 信 号 強 度 は μ =0.96^{+ 0 . 5 0}_{- 0 . 4 8}で あ る

。す べ て の チ ャ ン ネ ル を 統 合 し た 結 果 は

、 信 号 有 意 度 と し て 実 測 値 4,5σ (期 待 値 3.4σ )で あ り 、 信 号 強 度 は

μ =1.43

^{+ 0 . 4 3}_{- 0 . 3 7} で あ る 。こ の 結 果 は ヒ ッ グ ス 粒 子 と フ ェ ル ミ オ ン の 結 合 の「 実 験 的 証 拠 」 で あ り 、 信 号 強 度 は 誤 差 の 範 囲 内 で 標 準 理 論 と 無 矛 盾 で あ る 。

第 五 章 で は 、 も う 一 つ の 本 論 文 の 主 題 で あ る τ 粒 子 対 崩 壊 過 程 に お け る ヒ ッ グ ス 粒 子 の CP測 定 法 と そ の 感 度 の 見 積 も り 結 果 を 述 べ る 。 デ ー タ サ ン プ ル 、 背 景 事 象 の 見 積 も り 、 除 去 法 に 関 し て は 前 章 の 解 析 手 法 に 従 っ て お り 、 こ の 章 で は CP測 定 に 使 用 す る 特 有 の 解 析 手 法 に 関 し て の み 記 述 す る 。 ま ず 、 CP奇 状 態 の ヒ ッ グ ス 粒 子 の 事 象 の 生 成 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 法 を 説 明 す る 。 こ の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン は 、 標 準 理 論 の ヒ ッ グ ス 粒 子 の サ ン プ ル に 、 ヒ ッ グ ス 粒 子 の CP状 態 を 変 化 さ せ る 重 み 付 け を す る こ と で 行 っ て い る 。 次 に 、 CP感 度 変 数 で あ る acoplanarity angleの 再 構 成 法 に 関 し て 述 べ る 。 τ 粒 子 か ら 崩 壊 す る ニ ュ ー ト リ ノ は 実 験 的 に 検 出 さ れ な い た め 、 再 構 成 に は ニ ュ ー ト リ ノ の 方 向 を 近 似 し 、 か つ τ_{h a d}の 崩 壊 の 種 類 に よ っ て 構 成 の 異 な る ３ 種 類 の 方 法 を 導 入 す る 。τ_{h a d}の 崩 壊 の 判 別 は 、BDTア ル ゴ リ ズ ム に よ る π⁰ 粒 子 の 数 に よ っ て 判 別 が 行 わ れ 、 そ れ に 従 っ て カ テ ゴ リ ー は 細 分 化 さ れ る 。ま た 高 感 度 領 域 を 定 義 す る た め 、前 章 の 探 索 に 用 い た BDT出 力 値 に よ る 事 象 選 別 を 行 っ た 。 測 定 に か か る 系 統 誤 差 は 前 章 と 同 一 で あ る が 、 信 号 事 象 数 に 関 す る 系 統 誤 差 は 前 章 の 探 索 結 果 の 値 に 固 定 す る た め 考 慮 か ら 外 し て い る 。 CP状 態 の 精 密 測 定 を 行 う に は 統 計 的 に 困 難 で あ っ た た め 、 CP奇 状 態 の 棄 却 感 度 を 見 積 も る こ と で 測 定 の 結 果 と し た 。Acoplanarity angleに 対 す る 最 尤 法 を 用 い た フ ィ ッ ト を 、 全 カ テ ゴ リ ー 同 時 に 行 う こ と で 、結 果 と し て CP奇 状 態 の ヒ ッ グ ス 粒 子 を 56%の 信 頼 度 で 棄 却 で き る と い う 予 想 値 を 算 出 し た 。 最 終 章 で は こ れ ら の 結 果 を 精 査 し た 上 で 、標 準 理 論 の 検 証 、及 び 次 実 験 に お け る H→ τ τ 解 析 の 見 通 し に 関 し て 議 論 す る 。

No.3

Ｎｏ.

1

早稲田大学 博士（理学） 学位申請 研究業績書

氏名 桜井 雄基 印

（2015 年 10 月 現在）

種 類 別 題名、 発表・発行掲載誌名、 発表・発行年月、 連名者（申請者含む）

○論文 査読あり

論文 査読あり

○論文 査読あり

○論文 査読あり

論文 査読あり

論文 査読なし

論文 査読なし

論文 査読なし

講演 国際会議

講演 国際会議

講演 国際会議

講演 国際会議

Y. Sakurai et. al., CDF Collaboration,“Search for a low mass Standard Model Higgs boson in the Tau+Tau- decay channel at CDF,“, Phys. Rev. Lett. 108, 181804 (2012)

T. Aaltonen, Y. Sakurai et al., CDF Collaboration,“Combination of searches for the Higgs boson using the full CDF data set”, Phys. Rev. D88 (2013) 052013

Y. Sakurai et. al., ATLAS Collaboration,“Evidence for the Higgs-boson Yukawa coupling to tau leptons with the ATLAS detector”, JHEP 04 (2015) 117

Y. Sakurai et. al., ATLAS Collaboration,“Identification and energy calibration of hadronically decaying tau leptons with the ATLAS experiment in pp collisions at √s =8 TeV”, Eur. Phys. J. C75 (2015) 7. 303

Y. Sakurai, ATLAS Collaboration,“Search for the Standard Model Higgs Boson in the H to tau-tau to lepton-hadron and hadron-hadron Decay Modes with the ATLAS Detector”, Nuclear Physics B - Proceedings Supplements , The Twelfth International Workshop on Tau-Lepton Physics (TAU2012) , Pages 226-227 (2014)

Y. Sakurai et. al., CDF Collaboration,“Search for the Standard Model Higgs boson in τ⁺τ^- + jets final state with 8.3fb-1 of CDF data”, CDF Note 10625 (2011)

Y.Sakurai et. al., ATLAS Collaboration,“Evidence for Higgs Boson Decays to the τ⁺τ^- Final State with the ATLAS Detector”, ATLAS-CONF-2013-108 (2013)

Y.Sakurai et. al., ATLAS Collaboration,“Identification of Hadronic Decays of Tau Leptons in 2012 Data with the ATLAS Detector”, ATLAS-CONF-2013-066 (2013)

Yuki Sakurai,“Standard Model Higgs Searches at Tevatron/CDF experiment”, Lake Louise Winter Institute 2012, カナダ, 2012 年 2 月

Yuki Sakurai,“Search for the Higgs boson in fermionic channels using the ATLAS detector”, Phenomenology 2014 Symposium , ピッツバーグ, 2014 年 5 月

Yuki Sakurai,“Search for the Standard Model Higgs Boson in the H to τ+ τ− to lepton-hadron and hadron-hadron Decay Modes with the ATLAS Detector”, TAU2012 , 名古屋, 2012 年 9 月

Yuki Sakurai,“The ATLAS Tau Trigger Performance during LHC Run1 and Prospects for Run2”, Large Hadron Collier Physics (LHCP) 2014 , ニューヨーク, 2014 年 6 月

Ｎｏ.

2

早稲田大学 博士（理学） 学位申請 研究業績書

種 類 別 題名、 発表・発行掲載誌名、 発表・発行年月、 連名者（申請者含む）

講演 学会

講演 学会

講演 学会

講演 学会

講演 学会

講演 学会

講演 学会

講演 学会

桜井雄基、寄田浩平, “CDF 実験におけるトップクォーク対生成事象を用いた b jet energy の測定法の研究”, 日本物理学会 2010 年 第 65 回 年次大会 , 岡山大学 , 2010 年 2 月 21 日

桜井雄基、舩越雄二郎、蛯名幸二、寄田浩平, “Tevatron/CDF 実験における τ^＋τ^— + 2jets 事象を用いたヒッグス粒子の探索”, 日本物理学会 2011 年 第 66 回 年次大会 , 新潟大 学 , 2011 年 3 月 28 日

桜井雄基、舩越雄二郎、蛯名幸二、寄田浩平, “Tevatron/CDF 実験における τ^＋τ^— + jets 事象を用いたヒッグス粒子探索”, 日本物理学会 2011 年 秋季大会 , 弘前大学 , 2011 年 9 月 17 日

桜井雄基、津野総司、寄田浩平, “ATLAS 実験における実データを用いたタウ粒子トリガ ーの性能評価“, 日本物理学会 2012 年 秋季大会 , 京都産業大学 , 2012 年 9 月 11 日

桜井雄基、塙慶太、中村浩二、寄田浩平, “LHC-ATLAS 実験における

H→ττ→lepton-hadron 崩壊チャンネル探索のための背景事象の研究”, 日本物理学会 2013 年 第６８回年次大会 , 広島大学 , 2013 年 3 月 29 日

桜井雄基、塙慶太、中村浩二、寄田浩平, “LHC-ATLAS 実験における

H→ττ→lepton-hadron 崩壊チャンネルを用いたヒッグス粒子の探索”, 日本物理学会 2013 年 秋季大会 , 高知大学 , 2013 年 9 月 21 日

桜井雄基、塙慶太、中村浩二、寄田浩平, “LHC-ATLAS 実験における

H→tautau→lepton-hadron 崩壊チャンネルを用いたヒッグス粒子の探索”, 日本物理学 会 2014 年 第 69 年次大会 , 東海大学 , 2014 年 3 月 27 日

桜井雄基、新田龍海、寄田浩平,“LHC-ATLAS 実験における H→ττ 崩壊過程を用いたヒ ッグス粒子の CP 測定”, 日本物理学会 2015 年 第 70 年次大会 , 早稲田大学 , 2015 年 3 月 27 日

Ｎｏ.

3

早稲田大学 博士（理学） 学位申請 研究業績書

種 類 別 題名、 発表・発行掲載誌名、 発表・発行年月、 連名者（申請者含む）