小林富雄（東大素粒子センター） LHC 最初の一年～実験結果と将来展望～

LHC最初の一年 ～実験結果と将来展望～

小林富雄

（東大素粒子センター）

2011年5月24日

中央大学素粒子理論研究室セミナー

1

LHC加速器

Large Hadron Collider at CERN

Proton-Proton Collider

Circumference: 26.7 km (using LEP tunnel) Beam Energy: 7 TeV

1232 MR dipoles: B=8.33 Tesla, L=14.3m, 1.9K 368 MR quads: B’=223 T/m, L=3.1m

No. of Bunches: 2808 Bunch spacing: 24.95 ns Bunch size at IP: 16 m Bunch length at IP: 77 mm Half crossing angle: 160 rad

Luminosity: 10³⁴ cm^-2s^-1 (~23 collisions / crossing)

Heavy Ion Collider

Pb-Pb E_cm: 1148 TeV

The event rate N for a physics process with cross-section s is proprotional to the collider Luminosity L:

To maximize L:

• Many bunches (k)

• Many protons per bunch (N)

• Small beam sizes s*_x,y= (b ^*e)^1/2 b ^* : beam envelope (optics)

e : beam emittance (phase space volume occupied by the beam)

e b



g s

s ^*

2

*

* 2

4 4

f kN f

L kN

y x





s

L N 

Luminosity について

3

Associated LHC parameters

f F k

F N f

k

L N ^b

y x

b b e

g s

s ^*

2 2

4

4 



Parameter 2010 Nominal Limited by

Energy 3.5 TeV 7 TeV Hardware

N (p/bunch) 1.110¹¹ 1.1510¹¹ k_b (no. bunches) 368

(348 coll/IP)

2808 Machine protection

e (m rad) 2.5-5 3.75

b* (m) 3.5 (3.5) 0.55 (10) Aperture, tolerances

Stored energy (MJ) 28 360

L (cm^-2s^-1) 210³² 10³⁴

 Squeezing at the IP (b*) is limited by aperture and tolerances.

o Beams are larger at 3.5 TeV ~ 1/g.

s s  

LHC 積分luminosity

Peak luminosity: 2.1x10³² cm^-2s^-1 (2010)

8.3x10³² cm^-2s^-1 (2011 so far)

Integrated luminosity of 1~3 fb^-1 by the end of 2011

5

ジュネーブ

CERN

LHC 加速器

４つのLHC実験

CMS

LHCb

ATLAS

ALICE

ATLAS実験

(A Toroidal LHC Apparatus)

・直径 22m、長さ 44m、重さ 7000t

・世界最大の超伝導トロイド磁石

・センサー数 1.1億チャンネル

・38ヵ国からの約3000名の研究者による国際共同実験

・日本グループ（15の大学・研究所、110名）はミューオントリガー 検出器、内部飛跡検出器、ソレノイド超伝導磁石などに貢献

7

ATLAS Tracking Detectors

2 Tesla solenoid s/p_T ~ 5x10^-4 p_T  0.01

Transition Radiation Tracker (TRT) (4×10⁵channels) with e/

separation

Si Strips Tracker (SCT) (6×10⁶channels)

Pixels

(0.8×10⁸channels)

Calorimetry

Barrel

End-cap

Electromagnetic Calorimeter barrel, end-cap: Pb-LAr

~10%/√E energy resolution e/γ

180’000 channels: longitudinal segmentation Hadron Calorimeter

barrel Iron-Tile, EC/Fwd Cu/W-LAr (~20000 channels) s/E ~ 50%/E  0.03 pion (10 )

Trigger for e/γ , jets, missing E_T Coverage

|h|<5

Tile

9

Muon System

~1200 MDT precision chambers for track reconstruction (+ CSC)

~600 RPC and ~3600 TGC

2-6 Tm |h|<1.3 4-8 Tm 1.6<|h|<2.7

超伝導トロイド磁石

11

ATLAS実験：日本の貢献

ミューオントリガー検出器

内部飛跡検出器 超伝導ソレノイド磁石

LHC Computing Grid

地域解析センター ビーム最終収束 超伝導四極磁石

LHCビーム周回成功

（2008年9月10日）

First beam event seen in ATLAS

13

１．超伝導マグネットの励磁テスト中に、超伝導ケーブル結線部の 抵抗値が増加 → 温度上昇 → クエンチ（常伝導状態に）

２．電源トリップが作動したものの、アーク放電が発生

→ 真空（断熱）容器に穴

３．真空容器内およびビームパイプ内にヘリウムが流出

→ 衝撃波

４．減圧排気バルブが開放されたが、

→ 真空隔壁が破壊、いくつかのマグネットが動かされ

→ 6トンのヘリウムがトンネル内に流出

LHC大量ヘリウム流出事故 (2008年9月19日)

・53台のマグネットを修理

・2009年4月末に設置完了

・今後同様の事故が起こらないよう対策

・2009年11月から運転再開

LHCビーム周回再開

（2009年11月20日）

15

CMS

ビーム衝突に成功（

月

日）

ミューオンも検出（

月

日）

17

世界最高エネルギーでの衝突に成功（

月

日）

Performance of the ATLAS Detector using First Collision Data (√s = 900 GeV）

・1960年代以前の物理

・測定器の理解

19

標準理論粒子の再発見

昨日の信号は、今日のコントロールサンプル

→ 明日のバックグラウンド

Di-muon invariant mass

• Leading muon, p_T>15 GeV, second muon, p_T>2.5 GeV

21

Di-electron invariant mass

• Data with 5 GeV E_T di-electron trigger (prescaled in later data)

• Trigger selection produces shoulder around 15 GeV

J/ y y (2S) and 

About 60k (1S,2S,3S) candidates over full acceptance.

• Use a selection of looser triggers

• Oppositely charged muons with

• p_T₁₂>(2.5,4) GeV

• For J/y  y(2S) fit tracks

• to a common vertex and

• recalculate mass.

23

W boson 生成

E_T^miss distribution for events with e or  with p_T>20 GeV

W transverse mass 分布

25

Z boson 生成

Top quark pair production

27

Parton Distribution Functions

Top quark decay

29

LHC実験の主な目的

・当面の課題：

ヒッグス粒子の探索 → 質量の起源

EW sym. breaking

・標準理論を超える現象の探索：

標準理論の大きな問題点 … 階層性問題

31

直接探索（LEP）

M_H > 114GeV (95% C.L.)

EW精密測定

M_H=89 GeV+35-26GeV M_H < 158GeV (95% C.L.)

ヒッグス粒子 (SM)

直接探索（Tevatron）

158 GeV < M_H < 175GeV (95% C.L.)

 Excluded

114 GeV < M_H < 158GeV

33

35

H WWll

with 35 pb

CMS

(SM4: heavy mass 4^th generation model)

Higgs search 今後の見通し 7 TeV, 1 fb

• 129-460 GeV has >50% chance of exclusion

37

7 TeV, 1 fb

• , bb and gg channels all contribute in low mass region

More Integrated Luminosities

• 5fb^-1 enough to close gap with LEP at 7 TeV

• Expected 3s observation from 123 to 550 GeV

39

Higgs Sensitivity @ 7TeV

H  gg

ちょっとお騒がせしましたが…

41

7. May 2011

H  gg

MSSM: H    e/  + 

with 36 pb

 signal: b(b)H and gluon fusion production

 backgrounds: Z, ttl_had X, ...

 MSSM Higgs sector: 5 bosons h,H,A,H⁺,H^-

governed by 2 parameters M_A, tanb at Born level

43

MSSM: H  

超対称性 (SUSY)

ヒッグス粒子の質量の量子補正：



2次発散をcancel

45

SUSY signals at LHC

Jets + E

(+ lepton)

47

Jets + E

(+ lepton)

with b-tag

SUSY(mSUGRA)の発見可能性

49

GMSB Search

長寿命粒子探索

・

・

・

GMSB stau AMSB wino R-hadron

51

R-hadron search

mono-jet

+R-hadrons

Excited Quarks

qg  q*  qg

M_q* > 1.58 TeV M_String > 2.5 TeV M_q* > 2.15 TeV

M_Axigluon > 2.1 TeV

53

High Mass Dilepton Resonances

Arkani-Hamed, Dimopoulos, Dvali

Phys. Lett. B429 (1998) 263

もし量子重力スケールが O(TeV) だったなら 階層性問題は存在しない

・ Though ADD eliminates the hierarchy problem between M_Pl and m_EW, it introduces a new

hierarchy between m_EW and the compactification scale _c ~ 1/R.

・ Randall & Sundrum proposed a non-factorizable 4D-metric multiplied by a “warp” factor e^-2krcf, which changes rapidly as a function of an

additional dimension.

PRL 83 (1999) 3370

G

x₅ AdS₅

UV IR



ds²  e^{2krC f}h_dx^dx^  r_C²df²

55

Large Extra Dimensions (ADD)

M_D > 1.7 TeV for d = 4 M_D > 1.9 TeV

for d = 4

M_D > 1.8 TeV for d = 4

- Universal Extra Dimension (UED) model

- Consider single TeV-sized UED, with compactification radius R - Lightest Kaluza-Klein (KK) particle (LKP) is KK photon γ*

- Strong pair production of KK quarks and/or gluons - Decay down via KK states to LKP

- LKP decays by γ* →γ+ G

Diphoton(γγ) events with large missing energy

57

D=4+d 次元でのSchwarzschild半径：

(4次元では、R_s = 2√s/M_P² = 2G_N√s）

衝突の

なら

が生成される

（生成断面積）

（寿命：10^-26 ~ 10^-27 sec for M_D = 1 TEV）

Simulation of a mini black hole event with M_BH~ 8 TeV in ATLAS

Quantum Black Holes

Quantum Black Holes

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2011

・ 75/50 ns bunch spacing

・ up to 930/1400 bunches

・ b* 1.5 m in Atlas and CMS

10³³ cm^-2s^-1 and 1 to 3 fb^-1

2012

・ 7 TeV  8 TeV ?

・ (2-5)10³³ cm^-2s^-1 ?

LHC beam parameters 2010年 2011年

（nominal)

2011 年

（ultimate)

Beam energy (TeV) 3.5 4(?) 4(?)

Number of particle per bunch 1.22x 10¹¹ 1.22x 10¹¹ 1.22x 10¹¹

Number of bunch 368 960 1400

Bunch spacing (ns) 150 75 50

Beta* (m) 3.5 2.5 2.0

Luminosity (cm^-2s^-1) 2×10³² 6.4×10³² 20.0×10³² Integrated Lumi in 200days (fb^-1) 0.05 2.2 7.6

Stored energy (MJ) 28 72 134

7TeV (8TeV? in 2012) 13-14TeV

shutdown

3000fb^-1 by 2030

The 10 Year Technical Plan (being updated)

14TeV: up to 300 fb^-1 14TeV

shutdown

Shutdown for HL-LHC

61

Spare Slides

Heavy Ion Results: Jet Quenching

63

65

67

TT40 transfer line quadrupole vac. Chamber

SPS dipole vacuum chamber 2 MJ@ 400 GeV

Stored energy in LHC beam

Collimators must survive expected beam loss…

100倍

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