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2014 Fiscal Year Annual Research Report

ヒッグス粒子の発見による素粒子の質量起源の解明

Planned Research

Project AreaParticles Physics opening up the Tera-scale horizon using LHC
Project/Area Number 23104002
Research InstitutionHigh Energy Accelerator Research Organization

Principal Investigator

徳宿 克夫  大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 素粒子原子核研究所, 教授 (80207547)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 受川 史彦  筑波大学, 数理物質科学研究科(系), 教授 (10312795)
海野 義信  大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 加速器科学支援センター, シニアフェロー (40151956)
Project Period (FY) 2011-04-01 – 2016-03-31
Keywords素粒子実験 / ヒッグス粒子 / 標準理論 / ピクセル検出器 / 耐放射線検出器 / 国際研究者交流スイス
Outline of Annual Research Achievements

本研究は、LHCでの国際協力で建設されたアトラス検出器を用いてヒッグス粒子を発見し、ゲージ対称性の破れと質量の起源の謎の解明を目指す。既に前年度までの解析で質量126GeVの新粒子を発見し、スピン・パリティなどの解析と通して、ヒッグス粒子と同定できた。
世界最高エネルギーの陽子・陽子衝突型加速器LHCは、重心系エネルギー7TeV及び8TeVでそれぞれ積算ルミノシティ約5、23fb-1のデータを収集した後、加速器の改造のために2013年春から2015年春までの長期シャットダウンに入った。このため、2014年度の研究活動は、これまでに収集したデータの解析と、次の実験のための準備が中心となった。
本年度は、これまで収集した全データを使っての解析をほぼ終結させ、解析している多くの崩壊モードで論文投稿がほぼ完了した。発見された粒子は測定誤差内で標準理論のヒッグス粒子の振る舞いと一致している。これらの解析終了を受けて、もうひとつの国際共同実験であるCMS実験との共同解析を始めた。両実験をあわせることで、ヒッグス粒子の質量を125.09+-0.24GeVと既に0.2%の精度での測定が可能となった(論文1、2015年3月投稿、受理済)。
一方で、ピクセル検出器の開発も順調に進んでいる。放射線損傷に弱い箇所を同定でき、それを避ける設計が有効であることを、海外でのビームを使った試験を行って確認できた。一方でピクセルセンサーと読み出しASICの接合(バンプボンディング)の改良も進めているが、歩留まりが悪い状況が続いている。薄くしたときにセンサーおよびASICが反ってしまうのが主要因であることをつきとめたので、その改良をさらに進める。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

ヒッグス粒子の発見を当初の予想より短期間に達成できた。2013年ノーベル物理学賞はヒッグス機構の提唱ということでヒッグス氏とアングレール氏の2人理論研究者が受賞したが、この発見がその受賞の大きな論拠となった。ヒッグス粒子の性質の精査が進み、現在までの所の解析では、標準理論の予言する性質と矛盾ないことを確認できている。2014年度は二つの実験の共同解析にまで踏み込み、これによってヒッグス粒子の質量を0.2%の精度で測定できたのも、大きな成果である。
ヒッグス粒子の発見とその質量の確定は、素粒子研究にとどまらず、宇宙初期のインフレーションとの関連、ダークエネルギーとの関連等、おおくの「夢」を含んだ、素粒子・宇宙論の構築を活性化し、多くのモデルが提唱された。実験的にも次項で述べるように次の探索への方向を明確にできるようになった。
ピクセル検出器の研究開発も順調に進んでおり、既にこれまでの研究で、将来の高輝度ランで受けるのと同等の放射線照射後にも使用に耐える測定器を開発できている。

Strategy for Future Research Activity

現在までの分析では、今回発見したヒッグス粒子は標準理論の予言する粒子とほぼ一致していることがわかったが、そもそもヒッグス場が標準理論に導入される仕方はかなり恣意的であり、なぜヒッグス場が存在するかはわからない。発見に至ったこれからは、この粒子の精査を通して、この問いに対するヒントがないかをしらべることが中心課題となる。
一つの方向は、これが唯一のヒッグス粒子であるかどうかの確認で、多くの標準理論を超えるモデルでは、複数のヒッグス粒子が存在したり、ヒッグスと特殊に結合する新粒子の存在が提案されている。これらのヒッグス粒子は、標準理論のヒッグス粒子とは異なった生成断面積・崩壊分岐比を持つので、いっそう広い範囲で、標準理論にとらわれない新粒子の探索を進めるのが一つの方向である。
もう一つの方向は、126GeVのヒッグス粒子の性質の精査である。特にヒッグスとトップクォークやボトムクォークとの結合の解析の感度を上げ、2015年からのデータを加えることで、さらに高い精度で測定を進めていく。
どちらの方向でも、残念ながら2015年度に取れるデータ量は限られているので、研究期間内で実データで探索ができる範囲はあまり広がらないが、ここで開発した解析手法はその後の研究の基礎となり重要な財産となる。
ピクセル検出器開発では、現在残っている一番の課題は、薄いセンサーと読み出しチップとの安定したバンプボンディングの改善でこれが、最終年度の重要な課題となる。

  • Research Products

    (36 results)

All 2015 2014 Other

All Journal Article (23 results) (of which Peer Reviewed: 23 results,  Open Access: 23 results,  Acknowledgement Compliant: 21 results) Presentation (9 results) (of which Invited: 1 results) Book (1 results) Remarks (3 results)

  • [Journal Article] Combined measurement of the Higgs Boson mass in pp collisions at s √ =7 and 8 TeV with the ATLAS and CMS experiments2015

    • Author(s)
      The ATLAS and CMS Collaborations
    • Journal Title

      Physical Review Letters

      Volume: 未定 Pages: 未定

    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Measurements of Higgs boson production and couplings in the four-lepton channel in pp collisions at center-of-mass energies of 7 and 8 TeV with the ATLAS detector2015

    • Author(s)
      G. Aad et al. (ATLAS Collaboration)
    • Journal Title

      Physical Review D

      Volume: 91 Pages: 012006

    • DOI

      10.1103/PhysRevD.91.012006

    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Search for H→γγ produced in association with top quarks and constraints on the Yukawa coupling between the top quark and the Higgs boson using data taken at 7 TeV and 8 TeV with the ATLAS detector2015

    • Author(s)
      G. Aad et al. (ATLAS Collaboration)
    • Journal Title

      Physics Letters B

      Volume: 740 Pages: 222-242

    • DOI

      10.1016/j.physletb.2014.11.049

    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Search for the bbbar decay of the Standard Model Higgs boson in associated (W/Z)H production with the ATLAS detector2015

    • Author(s)
      G. Aad et al. (ATLAS Collaboration)
    • Journal Title

      Journal of High Energy Physics

      Volume: 01 Pages: 069

    • DOI

      10.1007/JHEP01(2015)069

    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Search for charged Higgs bosons decaying via H+- -→ tau +- nu in fully hadronic final states using pp collision data at √s = 8 TeV with the ATLAS detector2015

    • Author(s)
      G. Aad et al. (ATLAS Collaboration)
    • Journal Title

      Journal of High Energy Physics

      Volume: 03 Pages: 088

    • DOI

      10.1007/JHEP03(2015)088

    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Search for Higgs and Z Boson Decays to J/ψ gamma and &Υ;(nS) gamma with the ATLAS Detector2015

    • Author(s)
      G. Aad et al. (ATLAS Collaboration)
    • Journal Title

      Physical Review Letters

      Volume: 114 Pages: 121801

    • DOI

      10.1103/PhysRevLett.114.121801

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Search for a CP-odd Higgs boson decaying to Zh in pp collisions at s √ =8 TeV with the ATLAS detector2015

    • Author(s)
      G. Aad et al. (ATLAS Collaboration)
    • Journal Title

      Physics Letters B

      Volume: 163 Pages: 163-183

    • DOI

      10.1016/j.physletb.2015.03.054

    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Search for Invisible Decays of a Higgs Boson Produced in Association with a Z Boson in ATLAS2014

    • Author(s)
      G. Aad et al. (ATLAS Collaboration)
    • Journal Title

      Physical Review Letters

      Volume: 112 Pages: 201802

    • DOI

      10.1103/PhysRevLett.112.201802

    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Search for top quark decays t→ qH with H→γγ using the ATLAS detector2014

    • Author(s)
      G. Aad et al. (ATLAS Collaboration)
    • Journal Title

      Journal of High Energy Physics

      Volume: 06 Pages: 008

    • DOI

      10.1007/JHEP06(2014)008

    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Measurement of the Higgs boson mass from the H→γγ and H→ZZ*→4l channels with the ATLAS detector at the LHC2014

    • Author(s)
      G. Aad et al. (ATLAS Collaboration)
    • Journal Title

      Physical Review D

      Volume: 90 Pages: 052004

    • DOI

      10.1103/PhysRevD.90.052004

    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Search for Higgs Boson Pair Production in the γγbb ¯ Final State using pp Collision Data at s √ =8 TeV from the ATLAS Detector2014

    • Author(s)
      G. Aad et al. (ATLAS Collaboration)
    • Journal Title

      Physical Review Letters

      Volume: 114 Pages: 081802

    • DOI

      10.1103/PhysRevLett.114.081802

    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Search for the Standard Model Higgs boson decay to mu+mu- with the ATLAS detector2014

    • Author(s)
      G. Aad et al. (ATLAS Collaboration)
    • Journal Title

      Physics Letters B

      Volume: 738 Pages: 68-86

    • DOI

      doi:10.1016/j.physletb.2014.09.008

    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Measurements of fiducial and differential cross sections for Higgs boson production in the diphoton decay channel at sqrt(s) = 8 TeV with ATLAS2014

    • Author(s)
      G. Aad et al. (ATLAS Collaboration)
    • Journal Title

      Journal of High Energy Physics

      Volume: 09 Pages: 112

    • DOI

      doi:10.1007/JHEP09(2014)112

    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Search for Scalar Diphoton Resonances in the Mass Range 65-600 GeV with the ATLAS Detector in pp Collision Data at √s = 8 TeV2014

    • Author(s)
      G. Aad et al. (ATLAS Collaboration)
    • Journal Title

      Physical Review Letters

      Volume: 113 Pages: 171801

    • DOI

      10.1103/PhysRevLett.113.171801

    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Fiducial and differential cross sections of Higgs boson production measured in the four-lepton decay channel in pp collisions at √s = 8 TeV with the ATLAS detector2014

    • Author(s)
      G. Aad et al. (ATLAS Collaboration)
    • Journal Title

      Physics Letters B

      Volume: 738 Pages: 234-253

    • DOI

      10.1016/j.physletb.2014.09.054

    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Measurement of Higgs boson production in the diphoton decay channel in pp collisions at center-of-mass energies of 7 and 8 TeV with the ATLAS detector2014

    • Author(s)
      G. Aad et al. (ATLAS Collaboration)
    • Journal Title

      Physical Review D

      Volume: 90 Pages: 112015

    • DOI

      10.1103/PhysRevD.90.112015

    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Search for neutral Higgs bosons of the minimal supersymmetric standard model in pp collisions at s √ = 8 TeV with the ATLAS detector2014

    • Author(s)
      G. Aad et al. (ATLAS Collaboration)
    • Journal Title

      Journal of High Energy Physics

      Volume: 11 Pages: 056

    • DOI

      10.1007/JHEP11(2014)056

    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Double-sided super-module R&D for the ATLAS tracker at HL-LHC - A summary2014

    • Author(s)
      A. Clark et al.
    • Journal Title

      Nuclear Instruments and Methods

      Volume: A765 Pages: 91-98

    • DOI

      10.1016/j.nima.2014.05.010

    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Development of n+-in-p large-area silicon microstrip sensors for very high radiation environments – ATLAS12 design and initial results2014

    • Author(s)
      Y. Unno et al.
    • Journal Title

      Nuclear Instruments and Methods

      Volume: A765 Pages: 80-90

    • DOI

      10.1016/j.nima.2013.06.086

    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Development of N+ in P pixel sensors for a high-luminosity large hadron collider2014

    • Author(s)
      S. Kamada et al.
    • Journal Title

      Nuclear Instruments and Methods

      Volume: A765 Pages: 118-124

    • DOI

      10.1016/j.nima.2014.05.029

    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Evaluation of KEK n-in-p planar pixel sensor structures for very high radiation environments with testbeam2014

    • Author(s)
      K. Motohashi et al.
    • Journal Title

      Nuclear Instruments and Methods

      Volume: A765 Pages: 125-129

    • DOI

      10.1016/j.nima.2013.05.092

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Mechanical Studies toward a Silicon Micro-strip Super Module for the ATLAS Inner Detector Upgrade at the High Luminosity LHC2014

    • Author(s)
      S. Barbier et al.
    • Journal Title

      JINST

      Volume: 9-P04018 Pages: i-iii, 1-36

    • DOI

      10.1088/1748-0221/9/04/P04018

    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] A double-sided silicon micro-strip Super-Module for the ATLAS Inner Detector upgrade in the High-Luminosity LHC2014

    • Author(s)
      S. Gonzales-Sevilla et al.
    • Journal Title

      JINST

      Volume: 9-P04018 Pages: i-iii, 1-35

    • DOI

      10.1088/1748-0221/9/02/P02003

    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Presentation] Measurement of other Higgs boson properties (differential cross sections, spin/CP, FCNC, LFV)2015

    • Author(s)
      Tatsuya Masubuchi
    • Organizer
      Rencontres de Moriond QCD and High Energy Interactions
    • Place of Presentation
      La Thuile、 イタリア
    • Year and Date
      2015-03-21 – 2015-03-28
  • [Presentation] Development of KEK/HPK n+-in-p Pixel Sensor Modules and Understanding Their Performance with TCAD Simulations2015

    • Author(s)
      Y. Unno
    • Organizer
      10th Anniversary “Trento” Workshop on Advanced Silicon Radiation Detectors
    • Place of Presentation
      Trento, イタリア
    • Year and Date
      2015-02-25 – 2015-02-27
  • [Presentation] Beamtests of HPK/KEK n^+-in-p pixel sensors for ATLAS HL-LHC upgrade inner tracker2015

    • Author(s)
      D. Yamaguchi
    • Organizer
      10th Anniversary “Trento” Workshop on Advanced Silicon Radiation Detectors
    • Place of Presentation
      Trento, イタリア
    • Year and Date
      2015-02-25 – 2015-02-27
  • [Presentation] Beyond-the-Standard Model Higgs Physics using the ATLAS Experiment2014

    • Author(s)
      Kazuki Nagata
    • Organizer
      the 10th Latin American Symposium on High energy physics
    • Place of Presentation
      Medelling、コロンビア
    • Year and Date
      2014-11-24 – 2014-11-28
  • [Presentation] New ATLAS Higgs physics results2014

    • Author(s)
      Tatsuya Masubuchi
    • Organizer
      CERN LHC seminar
    • Place of Presentation
      CERN, Geneva, スイス
    • Year and Date
      2014-10-07 – 2014-10-07
    • Invited
  • [Presentation] Development of KEK/HPK Planar P-type Pixel Sensors and Lead-free Bumpbonding for HL-LHC2014

    • Author(s)
      Y. Unno
    • Organizer
      PIXEL2014
    • Place of Presentation
      Niagara Falls, カナダ
    • Year and Date
      2014-09-01 – 2014-09-05
  • [Presentation] Irradiation and Testbeam of KEK/HPK Planar p-type Pixel Modules for HL-LHC2014

    • Author(s)
      K. Nakamura
    • Organizer
      PIXEL2014
    • Place of Presentation
      Niagara Falls, カナダ
    • Year and Date
      2014-09-01 – 2014-09-05
  • [Presentation] Novel techniques and detectors for pile-up mitigation for HL-LHC2014

    • Author(s)
      Yosuke Takubo
    • Organizer
      Next steps in the Energy Frontier - Hadron Colliders, Workshop at LPC@FNAL
    • Place of Presentation
      FNAL, イリノイ州 米国
    • Year and Date
      2014-08-25 – 2014-08-28
  • [Presentation] Prospects of Higgs and SM measurements at HL-LHC2014

    • Author(s)
      Hidetoshi Otono
    • Organizer
      Next steps in the Energy Frontier - Hadron Colliders, Workshop at LPC@FNAL
    • Place of Presentation
      FNAL, イリノイ州 米国
    • Year and Date
      2014-08-25 – 2014-08-28
  • [Book] 宇宙の物質はどのようにできたのか  素粒子から生命へ2015

    • Author(s)
      日本物理学会 (編集) (徳宿克夫、他)
    • Total Pages
      208
    • Publisher
      日本評論社
  • [Remarks] ATLAS実験日本グループのWebページ

    • URL

      http://atlas.kek.jp/index.html

  • [Remarks] ATLAS実験の一般向けWebページ(英語)

    • URL

      http://atlas.ch/

  • [Remarks] ATLAS実験の物理成果のWebページ(英語)

    • URL

      https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/AtlasPublic

URL: 

Published: 2016-06-01  

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