2016 Fiscal Year Annual Research Report
Research of Higgs mechanism and search for New Physics using the 3rd generation quakrs
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26247038
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| Research Institution | High Energy Accelerator Research Organization |
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Principal Investigator |
花垣 和則 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 (40448072)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
波場 直之 島根大学, 総合理工学研究科, 教授 (00293803)
濱口 幸一 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (80431899)
山中 卓 大阪大学, 理学研究科, 教授 (20243157)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | ヒッグス / 湯川結合 / シリコンピクセル検出器 / LHC / 第3世代クォーク |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は，第3世代クォークをプローブとして，ヒッグス機構の全貌を解明することと素粒子の標準模型の枠街の物理現象を探索・発見することである。ヒッグスボソンが発見され，ゲージボソンとの結合は直接検証されているが，物質粒子であるフェルミオンとの結合は，τとの結合が確認されているのみである。ゲージ原理という指導原理なしに導入された湯川結合の詳細研究は，新物理発見への近道となる可能性がある。そこで，本研究ではLHC実験の一つであるATLAS実験に参画し，ヒッグスボソンがボトムクォーク対に崩壊する事象の発見を目指す。そのゴールに向けて，Wボソンを伴い生成されるヒッグス粒子がボトムクォーク対に崩壊する現象を探索した。発見には至っていないものの，多変数解析を取り入れた解析手法を確立し，データ量を増やすことにより発見が可能，というところまで研究が進んだ。
ヒッグス機構の全貌を解明するためには，ヒッグスポテンシャルの形そのものを理解しなければならない。そのためには，ヒッグス場の自己結合定数の測定が不可欠になる。そこで，自己結合定数測定を目指して，HL-LHC用のシリコン検出器を開発する。現行の検出器よりも，微細化，放射線耐性の向上，データ通信速度の向上が必要である。本年度は，シリコンピクセルセンサーと信号読み出し用ICを接続するバンプボンディングの技術開発が進んだ。フラックスなしでも，SnAgパンプで，150μm厚という極薄センサーの接合が高い歩留まりで可能になった。並行して，試作品からの信号を読みだすためのデータ収集系の整備を行った。信号読み出し用ICとのI/Oとなる電子基板を作成し，FPGAを使った読み出しシステムの構築を進めた。さらに，半導体デバイスの放射線耐性の研究として，現行のATLAS実験で使用されている信号読み出し用ICに放射線照射を行い，その挙動の変化を調査した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
物理解析については，Wを伴って生成されるヒッグス粒子がボトムクォーク対に崩壊する事象の探索と，トップクォーク対を伴い生成されるヒッグス粒子が光子対に崩壊する事象の探索が順調に進んでいる。前者は，系統誤差が支配的であること，S/N比が悪いことを考慮し，多変数解析による事象選別の最適化とともに，背景事象の評価に起因する系統誤差を抑えるための手法の研究を実施した。これらの努力により，本報告を書いている2018年5月現在では（予算繰越があったため，報告書提出が1年遅れている），H→bb事象の証拠を掴んでいる。後者に関しては，解析をスタートさせたばかりであることと，統計誤差が支配的であることから，質の良いデータを大量に収集するための試みに取り組んだ。ピクセル検出器の運用，較正を主導し，さらには，増加するルミノシティに対応すべく，ピクセル検出器のデータ読み出しシステムのアップグレードに取り組んだ。その成果として，設計値を大きく超えるルミノシティにもかかわらず，ピクセル検出器のデータ収集効率は99%を達成することができた。
ピクセル検出器に関しては，センサーと信号読み出し用ICとのバンプボンディングの技術開発が大幅に進んだ。150μmという薄いセンサーとICにもかかわらず，高い歩留まりで接合させることが可能になった。また，試作品からの信号を読み出すためのデータ収集システムの構築に取り組んだり，試作品をビームテストする際に使用するテレスコープの整備を進めた。さらに，放射線耐性の研究の一環として現行ATLASピクセル検出器で使用されている信号読み出し用ICに放射線を照射し，様々なトランジスタのリーク電流や，レジスタの値が，ドース量によりどのように変化するかを調査した。その結果，現行検出器の挙動の理解が深まった。
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続き，ATLAS実験において質の高いデータをなるべく多く収集することを第一目標とする。大量のデータを使うことにより，検出器の理解や較正が進み系統誤差を抑えることが可能になるので，統計誤差が支配的なttH探索だけでなく，H→bb崩壊の解析においても，データ収集の高効率化は極めて重要である。LHCは今後もさらにルミノシティが上昇する見込みなので，データ収集帯域を確保するために，ピクセル検出器の保守と微調整を継続する。その結果として，H→bbを有意に観測できるだけの統計量を確保できる見込みなので，ボトムクォークの湯川結合を直接観測する。さらに，トップクォークの湯川結合定数も直接観測できれば，クォークの湯川結合の存在を実証するだけでなく，H→ττの結果と合わせて，第3世代フェルミオンの質量がヒッグス場の相転移により動的に生成されていることを証明できる。
並行して，ヒッグス粒子が2個生成される事象などを探索し，標準模型の枠外の現象を捉える努力を続ける。理論家との共同により，有力な物理模型がないかを探りつつ，ヒッグスの自己結合定数観測のためのパイロット実験として，測定方法の改良に挑む。
ピクセル検出器開発では，センサー開発を収束させたい。ピクセルの大きさを50μm角にまで微細化した試作品を製造し，その性能評価を実施，その結果次第で概念設計を終了させたい。また，今後の力点として，センサーと信号読み出し用ICをフレキシブル基盤に搭載（モジュール化）する手法の確立が重要である。実機は比較的短期間に大量製造しなければならないので，高い精度を持ちつつ，安価にかつ迅速に組み立てる手法を確立しなければならない。特に，全ての部材に対して高い放射線耐性が要求されるので，部材の放射線照射試験を高い頻度で実施する予定である。
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