Transcript Higgs 機構
山崎祐司（神戸大） 1 質量の謎（初回よりちょっと理論的に） ヒッグス機構 ヒッグス場とヒッグス粒子，標準模型の粒子との結合 ハドロンコライダーの原理（復習） ヒッグス粒子の生成と検出 LHCでの検出方法 Tevatron の実験結果（ごく簡単に） 2 重力のもとではない General relativity: F重力 E, 慣性 E 運動量とエネルギーとの関係を与える E 2 = m 2 + p2 p E 1 m 2 E 2 , 0 if E m 速度 β が光速より低くなれるのは mass があるから 右巻き，左巻き状態を結合させる項ができる 光速で走っていなければ追い抜ける 逆向きに見える † L L † R R L 3 この世の粒子は spin-½ フェルミオン（もの）= クォーク，レプトン spin-1 ボゾン（力） ところが，これらの粒子はゲージ対称性を 破らずに質量を持てない neither 1 2 2 m A A nor m allowed 手で質量項を入れると，繰り込み不可能な発散が 現れる 4 スカラー場なら，質量を持てる ゲージ不変な項が出てこない ついでに他の粒子にも m2AµAµ のような項を 出して質量を与えられないか？ もしスカラー場が有限の 期待値を持てば， このような項がでてくる 5 重いスカラー場のポテンシャルに４次の項が あるとする 自由スカラー粒子の Lagrangean † 2 † L m ( 1 i 2 ) / 2 4次の項を足すと † † L V ( ) † V ( ) m 2 † Minimum at |Φ|=φ0 [ 0 ] 2 2 2 2 0 6 スカラー場が U(1)SU(2)SU(3) 不変なように 共変微分を決める ( x ) ( x ) e ie ( x ) 例：U(1) A ( x ) A ( x ) A ( x ) ( x ) D ieA 場の対称性が破れるとする ちょうど Φ′(x) が 実数であるとする ( x ) 0 h ( x ) / h(x) 2 Re(φ) 7 φ0 : Φ の真空期待値 「ヒッグス場」 h : 場の振動から生まれる粒子 「重い」光子を作る Lagrangean は Higgs with mass m L free L int 1 2 2 heavy photon with mass = √2eφ0 2 h h m h e A A 2 2 ( x ) 0 h ( x ) / 1 4 F F e 0 A A interaction between the heavy photon and Higgs boson 2 2 m 2 0 h h 2 2 2 0 1 2 2 2 0 h 3 4 h 4 1 interaction among Higgs bosons 8 † † L mass c e 0 ( e L e R e R e L ) e † † m e (eL eR eR eL ) ce h 2 me 2 0 † † (eL eR eR eL ) † † h (eL eR eR eL ) ce: 手で導入したパラメター 電子の質量を与えている (他のフェルミオンの cf は，異なる値) 質量に比例 ▪ √2 φ0 = 2MWsinθW /e = 246 GeV ▪ ce/(√2) = me/(√2 φ0) = 2.0 106 電子と光子のカップリング（微細構造定数）より ずっと小さい 9 Higgs の真空期待値 φ0 が粒子に質量をあたえる ヒッグス場のいなし効果 ただし，予言能力はあまりなし ▪ ヒッグスの質量 ▪ １２個のフェルミオン質量パラメタ－ ヒッグス機構が本当なら，ヒッグス粒子が 生成される 結合定数は質量に比例，を測れるとばっちり検証 10 e 2.0 106 かなり大きい μ 4.1 104 クォークとの結合 τ 7.0 103 チャームかそれより軽いクォークでは u 2 105 d 3 105 s 5 104 c 5.2 103 b 1.7 102 t 0.7 エネルギーが大きければ（ MW） 無視できる b: 電弱と同じくらい t: 非常に強い mf /(√2φ0) W/Z: 電弱相互作用と同等 ほとんどの場合そう大きくはない 質量は全ての「もの」にあるのに， ちょっと不思議な気もする？ 11 “Associated ZH production” mH > 114.4 GeV @ 95%CL √s – MZ = 206.6 – 91.2 = 115.4 GeV 12 電弱相互作用パラメタ－の輻 射補正から求める LEP, SLD , Tevatron で Tevatron excluded 精度よく求まっている それによると，Higgs は軽いら しい mH < 186GeV @ 95% CL ▪ 標準模型が正しいことを 仮定，他の可能性もあり 13 すでに一部の領域で， Higgs はなさそうである とわかっていた CDF /DØ combined 現在はもっとデータが ある （各 > 6fb–1） LHC とあわせ，どうなっ たか？ 14 パートン対散乱で 記述できる 陽子はパートン (quarks and gluons) を供給するみなもと parton proton remnant 一組のパートン対が衝突 high-pT （高い横運動量） の粒子が生成される 残りのパートン：前方へ逃げる (proton remnant) 15 電弱相互作用: Drell-Yan フェルミオン対を生成 重要なチャンネルは 荷電レプトン q q q q , gg ▪ e+e–, μ+μ–, τ+τ– QCD 過程 qq qq 2個以上の ジェット生成 qg qg gg qq , gg 16 パートン同士の断面積 perturbative QCD により計算 High pT, small αS 陽子のパートン密度 x (縦方向の 運動量比) Q2 (運動量移行) (parton density ) 1 ( parton density ) 2 の関数 ( cross section of partons 12 34 ) ( probabilit y of 3 , 4 decaying to specific final states ) f 1 ( x1 , p T ) f 2 ( x 2 , p T ) 12 34 ( p T ) p ( 34 FS ) q,g 17 low-x (< 10−2) で Valence quarks （価クォーク）は ほとんどない (図で sea quark, gluon が 1/20 になっていることに注意！) グルーオンがクォークより ずっと多い 18 Q2 の関数で増加 拡大すると たくさんのパートンが 見えてくる 19 Higgs を作るパートンは 10–4 < x < 10–1 の領域 gluon-dominated Light Higgs ? 20 gluon fusion Vector-boson fusion (VBF) Associated WH, ZH ４つの主なプロセス Associated ttH, bbH 21 gluon fusion 生成断面積が 大きい グルーオンが 多いから バックグランド （似たような 事象）も多い 付随した特徴ある粒子の生成がなく，区別がつきにくい 22 Vector-boson fusion (VBF) 前のプロセスの 1/10 程度の 断面積 前方に ジェットが 生成される これを捕まえ バックグランドを落とす （あとで例が出ます） 23 Associated WH, ZH VBF と 同程度の 生成断面積 Tevatron での 軽い Higgs 探しのメイン bb に崩壊 (see later) 24 Associated ttH, bbH トップクォーク との湯川結合 を測定できる 解析は難しい… 25 LHC の 1/10 程度 主な生成過程 Inclusive gg associated WH and ZH Higgs ができても， そのうち捕まえられるのは ごくわずか 26 mH > MW: WW, ZZ (, tt) mH MW: WW(*) ~ 100% mH < MW bb, WW* ττ (< 10%) gg (2 103) Golden channel: ZZ4l , gg 200 500 全ての終状態の粒子が荷電粒子 不変質量を再構成できる 27 gg(, tt) ZZ ZZ4l ZZ4l WW gg, tt WW ZZ ATLAS は WW, CMS は gg が得意 検出器の性能による 実験が始まる前はこういう計画。 いざ始めてみると？ 28 新しい channel 29 WW(*) (Tevatron, LHC) → 𝑙𝜈𝑙𝜈, 𝑙𝜈𝑞𝑞 VBF の forward jet も使う (まだ積極的には使っていない) mH MW で sensitivity が高い ZZ(*) 4 leptons, 𝑙𝑙𝑞𝑞, 𝑙𝑙𝜈𝜈(LHC) mH > MW and 135-150 GeV gg (LHC) EM カロリメータの性能にかかっている tt (LHC) Associated WH, ZH, H bb(Tevatron, LHC も) 30 WW(*) ll 2つの lepton とEtmiss バックグランドは比較的小さい 130-200 GeV のエース Higgs の質量は，直接測定 できない 縦方向の CM energy がわからない 横方向も，２つのニュートリノが でるのでわからない（どうやって 分配？） Emiss = |pT1+ pT2| MT Mll(missing=) …を使うとある程度わかる 31 Main background: “irreducible” WW production Higgs’ spin 0 : charged leptons tend to be in parallel rather opposite for background 32 Using vector-boson fusion process Tag hard two jets with large rapidity gap in between Higgs decay product h j forward jet central jet veto Much less background 33 Using correlation of multidimensional variables (existing+new) likelihood neural network etc. Extensive use at Tevatron Successfully found single-top production (O(10) larger cross section than light Higgs) LHC では cut-based が中心 34 0-jet channel (semi-inclusive) ATLAS, CMS とも に何となく excess? Opposite flavour leptons Same flavour leptons 35 1-jet channel (semi-inclusive) ATLAS, CMS とも に若干はっきり excess? Opposite flavour leptons Same flavour leptons 36 120-150 GeV 全域でほぼ 2𝜎 の excess, とくに 140 GeV 付近で大きい 形はそっくり 何を意味する? 37 不変質量が精度よく求まる 荷電安定レプトン (e, ) 運動量測定が 精度よくできる 統計的に有利 バックグランド 少ない low mass でも確認に有効 diboson ▪ 区別つかない Z + bb, b が e/ に崩壊 ▪ レプトンが他の粒子から離れ て生成していることを用いる 38 分岐比が小さい Z0 ee, 3.4% each ピークが幅広い 自然幅広い Best for mH > MW, nevertheless 現在は統計を稼ぐため 𝑙𝑙𝜈𝜈 が主なチャンネルに decay BR(%) l 3.34 n 6.67 u-type 11.6 d-type 15.6 ふたを開けてみると… 39 まだ統計は少なく，何とも言えない。 ただし 𝑊𝑊 の確認としては大本命。 40 140 GeV の当たりに excess という人もいますが， まだ統計足りないでしょう。 41 意外に mass の精度がいい （赤い histogram の幅） Excess なさそう CMS は，300 GeV あたりに excess あり 42 多少のラッキーもあり， ATLAS では一部 SM を exclude している CMS もほぼ SM に近くまで 来ている (300 GeV excess 見え ている) 𝑍𝑍 → 𝑙𝑙𝑞𝑞, 𝑊𝑊 → 𝑙𝜈𝑞𝑞 は省略。 43 removed by requesting isolation 生成断面積は非常に小さい バックグランド多い direct photon Higgs の質量が はっきりわかるのが 魅力 44 EM shower in Calorimeter Energy measurement and correction are crucial Track associated? No photon Yes ▪ One track pointing electron ▪ Flagged as conversion? (two tracks with vertex away from interaction point) photon PbWO4 crystal (EM CAL @ CMS) 45 0-jet 1-jet Requiring 1-jet or 2-jet + central jet veto 2-jet まだ使われていない 46 標準模型 Higgs の5倍でも この（赤のヒストグラム） 程度，でも今後が楽しみ 一番よいところで Resolution 1.7 GeV (nominal 1.4) Irreducible background (2 prompt 𝛾) が多い 47 微妙なピークもあるが，まだまだ統計が必要 48 γγ よりたくさんできる τ を見つける方法 “1-prong decay” = 1 charged track (85.3%) leptonic 崩壊 τl νν レプトンを見つける hadronic 崩壊: 細い jet を見つける decay BR (%) t 17.36 e t+ ≥ 0 neutrals 17.84 h t 11.59 h t + ≥ 1 neutrals 37.05 h t + ≥ 1 p0 (36.51) ▪ 普通のジェットがバックグ ランドとして混じる 49 τ がHiggsよりずっと軽いことを用 いる ニュートリノもほかの崩壊粒子と 同じ向きに出ると仮定 VBF （ジェットタグ）も 使う 50 SM Higgs は CMS のみ まだ統計が少ない 120 GeV の 𝐻 → 𝜏𝜏 と 91 GeV の 𝑍 → 𝜏𝜏 と分離はできそう Higgs なしのピークと合っている 51 軽い Higgs → bb に崩壊 ただし，b quark と他のクォー lepton+missing OR dilepton クの区別が必要 ▪ b-tag 反対側の W/Z を b-tag and mass reconstr. leptonic lν/ll decay で タグする 52 Dijet invariant mass quite narrow Background QCD W/Z + bb WW, ZZ top 53 𝑊𝐻 → 𝑙𝑙𝑏𝑏 , 𝑚𝐻 = 130 GeV まだ統計は少なく幅も広い Mass reconstruction resolution の向上が課題 𝑏𝑏 を一つの jet として扱い energy reconstruction をする Jet mass から W mass の reconstruction できている 54 かなりの領域で exclude されている 55 新しい channel 見た通り Excess が 反映されて いる 56 どちらも 130-150 GeV に excess がある。2𝜎 強。 その他の excess はあまり共通でない。 57 EPS2011 W. Murray のトークより 黒： Tevatron, 赤：ATLAS, 青： CMS グラフを比較するときは， 重ねた方がよい。 58 実験は，やってみないとわからない部分もある 意外なチャンネルが有効 しかし，準備はとても大切 短い時間で解析ができた Higgs は，あるのか？ ATLAS/CMS で見えている， 140 GeV 付近なのか？ Excess を示しているところは他にもある。 まだ何とも言えない Lepton-photon でアップデート 59 Higgs 機構 スカラー（スピン０）場なら質量を持てる → 他の粒子にも質量を与えられる Higgs 場を「たたく」と Higgs 粒子がでてくる 湯川結合定数が質量に比例 重い粒子とくっつきやすい t, W, Z を介して生成 軽い Higgs は bb, ττ, γγ に崩壊 重い Higgs は WW, ZZ (tt) へ 60 ZZ(*) 4 leptons (LHC) golden channel, 質量の再構成精度がよい WW(*) (Tevatron, LHC) vector-boson fusion， forward jet + central jet veto 質量はあまり精度よくないが，感度はぴかいち gg (LHC): 質量精度よいが，生成断面積小さい tt (LHC): 質量なんとか測れる Associated WH, ZH with b-tag for H bb(Tevatron) 61