超対称性の発見で構築する新たな時空像

2017 年度 実績報告書

• 研究領域: ヒッグス粒子発見後の素粒子物理学の新展開～LHCによる真空と時空構造の解明～
• 研究課題/領域番号: 16H06489
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 陣内 修 東京工業大学, 理学院, 准教授 (50360566)
• 研究分担者: 中本 建志 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 超伝導低温工学センター, 教授 (20290851) ; 浅井 祥仁 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (60282505) ; 田中 純一 東京大学, 素粒子物理国際研究センター, 教授 (80376699)
• 研究期間 (年度): 2016-06-30 – 2021-03-31
• キーワード: LHC加速器 / ATLAS検出器 / 超対称性粒子探索 / 余剰次元探索 / LHC高輝度化アップグレード / ビーム分離用大口径超伝導双極磁石

研究実績の概要

平成28年度に収集した衝突エネルギー13TeV，36/fbのデータ解析を多チャンネルに渡り行った。一部の解析では29年度データも追加して80/fbの解析に着手した。本計画研究では5つの成果が得られた。
(1)グルイーノ等を生成する強い相互作用による超対称性粒子生成チャンネルでの探索を引き続き進めた。グルイーノ、スカラー・トップそれぞれの質量下限2.03TeV，0.94TeVを得た。
(2)電弱生成などの低断面積チャンネル等，データ量の増加に伴い有効となるチャンネルをレプトン数，中間の粒子種によりカテゴリー分けして系統的な探索を行った。2-3個の荷電レプトンと消失エネルギーを要求し，信号感度を高める事象再構成法を試みた解析において，3シグマの超過がみられた。電弱超対称性粒子については0.6TeVの質量下限を得ている。
(3)Rパリティ非保存やRハドロン超対称性モデルを用いて，多数ジェットや準安定グルイーノ生成などの解析を進めた。荷電長寿命粒子が検出器内を低速でイオン化する模型の探索において，2.4シグマの超過がみられた。
(4)LHC高輝度化に向けビーム分離用大口径超伝導双極磁石の2m長モデル磁石の開発を進めている。放射線（40MGy）並びに入熱量（3mW/cm3）の厳しい仕様を満たす必要がある。試作・試験した1号機を解体しコイル予備圧縮応力を100MPaまで増大させモデル1b号機として再試験を行なった。通電性能が劇的に改善され，合格基準を上回る13.55kAの励磁を実証できた。現在磁石断面を一新した電磁設計のもとモデル磁石2号機の試作を進めている。
(5)次世代エネルギーフロンティア加速器に向けて，Nb3Sn超伝導線材の開発を開始した。従来の国内記録を大幅に上回る，外部磁界16Tにおける臨界電流密度1090A/mm2を達成することができた。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

超対称性粒子は発見されていないが，各種探索チャンネルで厳しい質量下限等の制限を課す成果をあげている。精度を向上のためにデータ量の増加を必要としていた電弱超対称性粒子生成に関しても本格的に探索を進めることが可能となってきた。同様にデータの統計量を要求する質量の縮退した領域の探索など，暗黒物質候補を説明する可能性の高いパラメータ領域においてもより強い制限をかけることができるようになってきた。概略でも報告したように，信号探索感度を高めるため新たな解析手法を導入した幾つかの解析では2-3シグマの超過がみられており，統計量と共に解析技術の向上がこれらの兆候に寄与している。
実験が行われているCERNに多数の若手研究者・大学院生を長期派遣して現地での研究体制を整えている。国際研究グループの中で活動し，何名かは解析責任者に就任するなど，国際協力の中核となり研究を進めている。
高輝度化アップグレードに向けた超伝導磁石の開発は計画通りに進んでいる。また、高臨界電流密度Nb3Sn超伝導線材の開発も順調に進んでいる。

今後の研究の推進方策

(1) 2017年度までに得られた80/fbのデータ量を用いた解析を推進する。特に，2-3シグマの超過が見られたチャンネルを中心に解析を進め，高統計でそれらの超過が新物理由来であるかどうかを確認する。データ量の増加に伴い重要となる，電弱生成など低断面積の超対称性生成プロセスを探索の中心に据える。また，これまでの単純な超対称性模型に従った解析方針から，より複雑な模型を扱うものに発展させ，高統計を有効に用いることでカテゴリー分けした解析を推進し各チャンネルでの感度を向上させる。
(2) 超対称性が検出上の理由から「隠れている」可能性を検討し，質量の縮退を仮定する模型や長寿命粒子の探索モード等幅広く探索チャンネルをカバーする。一部の解析では導入されている，機械学習を取り入れた事象選別手法を超対称性粒子探索へ広範囲に適用し，信号探索の感度を向上させる。
(3) 2018年度には2mモデル磁石2号機を完成させ，磁石性能評価を行う。引き続き2mモデル磁石3号機を試作し，性能の再現性を検証する。2019年度からは，実機長実証機（プロトタイプ）の製造を開始する。並行して，Nb3Sn超伝導線材の開発を進め，さらなる高性能化を図る。

研究成果

• [国際共同研究] 欧州原子核研究機構(CERN)(スイス)
  • 国名: スイス
  • 外国機関名: 欧州原子核研究機構(CERN)
• [国際共同研究] ローレンス・バークレー国立研究所（LBNL）(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: ローレンス・バークレー国立研究所（LBNL）
• [雑誌論文] Training Performance with Increased Coil Pre-stress of the 2-m Model Magnet of Beam Separation Dipole for the HL-LHC Upgrade (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Sugano, S. Enomoto, N. Higashi, M. Iida, Y. Ikemoto, H. Kawamata, N. Kimura, T. Nakamoto, T. Ogitsu, H. Ohata, N. Okada, R. Okada, K. Sasaki, K. Suzuki, N. Takahashi, K. Tanaka, A. Musso and E. Todesco
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Applied Superconductivity 巻: 28巻 ページ: 4000805(p1-5)
  • DOI: 10.1109/TASC.2017.2776203
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Quench Protection Heater Study with the 2-m Model Magnet of Beam Separation Dipole for the HL-LHC Upgrade (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Suzuki, S. Enomoto, N. Higashi, M. Iida, Y. Ikemoto, H. Kawamata, N. Kimura, T. Nakamoto, T. Ogitsu, H. Ohata, N. Okada, R. Okada, M. Sugano, A. Musso, and E. Todesco
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Applied Superconductivity 巻: 28巻 ページ: 4002505(p1-5)
  • DOI: 10.1109/TASC.2017.2776938
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Influence of 3D Effects on Field Quality in the Straight Part of Accelerator Magnets for the High Luminosity Large Hadron Collider (2018)
  • 著者名/発表者名: E. Nilsson, S. Izquierdo Bermudez, E. Todesco, S. Enomoto, S. Farinon, P. Fabbricatore, T. Nakamoto, M. Sugano and F. Savary
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Applied Superconductivity 巻: 28巻 ページ: 4003005(p1-5)
  • DOI: 10.1109/TASC.2017.2785273
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Field Measurement to Evaluate Iron Saturation and Coil End Effects in a Modified Model Magnet of Beam Separation Dipole for the HL-LHC Upgrade (2018)
  • 著者名/発表者名: S. Enomoto, M. Sugano, T. Nakamoto, K. Suzuki, N. Okada, H. Kawamata, K. Sasaki, Y. Ikemoto, K. Tanaka, H. Ohhata, M. Iida, R. Okada, N. Higashi, N. Takahashi, T. Ogitsu, N. Kimura, A. Musso and E. Todesco
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Applied Superconductivity 巻: 28巻 ページ: 4004505(p1-5)
  • DOI: 10.1109/TASC.2018.2797204
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Search for photonic signatures of gauge-mediated supersymmetry in 13 TeV pp collisions with the ATLAS detector (2018)
  • 著者名/発表者名: The ATLAS collaboration, (M.Aaboud, S.Asai，O.Jinnouchi，J.Tanaka，et al.)
  • 雑誌名: Phys.Rev. D 巻: 97巻 ページ: 092006 (p1-32)
  • DOI: 10.1103/PhysRevD.97.092006
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Search for electroweak production of supersymmetric states in scenarios with compressed mass spectra at √s=13 TeV with the ATLAS detector (2018)
  • 著者名/発表者名: The ATLAS collaboration, (M.Aaboud, S.Asai，O.Jinnouchi，J.Tanaka，et al.)
  • 雑誌名: Phys.Rev. D 巻: 97巻 ページ: 052010 (p1-35)
  • DOI: 10.1103/PhysRevD.97.052010
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Search for squarks and gluinos in final states with jets and missing transverse momentum using 36 fb－1 of √s=13 TeV pp collision data with the ATLAS detector (2018)
  • 著者名/発表者名: The ATLAS collaboration, (M.Aaboud, S.Asai，O.Jinnouchi，J.Tanaka，et al.)
  • 雑誌名: Phys.Rev. D 巻: 97巻 ページ: 112001(p1-47)
  • DOI: 10.1103/PhysRevD.97.112001
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Search for long-lived charginos based on a disappearing-track signature in pp collisions at √s = 13 TeV with the ATLAS detector (2018)
  • 著者名/発表者名: The ATLAS collaboration, (M.Aaboud, S.Asai，O.Jinnouchi，J.Tanaka，et al.)
  • 雑誌名: J. High Energ. Phys. 巻: 2018.06巻 ページ: 22(p1-48)
  • DOI: 10.1007/JHEP06(2018)022
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Search for top-squark pair production in final states with one lepton, jets, and missing transverse momentum using 36 fb－1_of √s=13 TeV_pp_collision data with the ATLAS detector (2018)
  • 著者名/発表者名: The ATLAS collaboration, (M.Aaboud, S.Asai，O.Jinnouchi，J.Tanaka，et al.)
  • 雑誌名: J. High Energ. Phys. 巻: 2018.06巻 ページ: 108(p1-96)
  • DOI: 10.1007/JHEP06(2018)108
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Search for dark matter and other new phenomena in events with an energetic jet and large missing transverse momentum using the ATLAS detector (2018)
  • 著者名/発表者名: The ATLAS collaboration, (M.Aaboud, S.Asai，O.Jinnouchi，J.Tanaka，et al.)
  • 雑誌名: J. High Energ. Phys. 巻: 2018.01巻 ページ: 126(p1-53)
  • DOI: 10.1007/JHEP01(2018)126
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Search for supersymmetry in final states with missing transverse momentum and multiple_b-jets in proton-proton collisions at_√s=13 TeV with the ATLAS detector (2018)
  • 著者名/発表者名: The ATLAS collaboration, (M.Aaboud, S.Asai，O.Jinnouchi，J.Tanaka，et al.)
  • 雑誌名: J. High Energ. Phys. 巻: 2018.06巻 ページ: 107(p1-58)
  • DOI: 10.1007/JHEP06(2018)107
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Search for dark matter produced in association with bottom or top quarks in √s = 13 TeV pp collisions with the ATLAS detector (2018)
  • 著者名/発表者名: The ATLAS collaboration, (M.Aaboud, S.Asai，O.Jinnouchi，J.Tanaka，et al.)
  • 雑誌名: Eur. Phys. J. C 巻: 78巻 ページ: 18(p1-36)
  • DOI: 10.1140/epjc/s10052-017-5486-1
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A search for pair-produced resonances in four-jet final states at √s = 13 TeV with the ATLAS detector (2018)
  • 著者名/発表者名: The ATLAS collaboration, (M.Aaboud, S.Asai，O.Jinnouchi，J.Tanaka，et al.)
  • 雑誌名: Eur. Phys. J. C 巻: 78巻 ページ: 250(p1-28)
  • DOI: 10.1140/epjc/s10052-018-5693-4
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Search for_B－L_R-parity-violating top squarks in_√s=13__TeV_ppcollisions with the ATLAS experiment (2018)
  • 著者名/発表者名: The ATLAS collaboration, (M.Aaboud, S.Asai，O.Jinnouchi，J.Tanaka，et al.)
  • 雑誌名: Phys. Rev. D 巻: 97巻 ページ: 032003(p1-28)
  • DOI: 10.1103/PhysRevD.97.032003
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Search for long-lived, massive particles in events with displaced vertices and missing transverse momentum in sqrt(s) =13 TeV pp collisions with the ATLAS detector (2018)
  • 著者名/発表者名: The ATLAS collaboration, (M.Aaboud, S.Asai，O.Jinnouchi，J.Tanaka，et al.)
  • 雑誌名: Phys. Rev. D 巻: 97巻 ページ: 052012(p1-29)
  • DOI: 10.1103/PhysRevD.97.052012
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Search for additional heavy neutral Higgs and gauge bosons in the ditau final state produced in 36 fb－1 of pp collisions at √s = 13 TeV with the ATLAS detector (2018)
  • 著者名/発表者名: The ATLAS collaboration, (M.Aaboud, S.Asai，O.Jinnouchi，J.Tanaka，et al.)
  • 雑誌名: J. High Energ. Phys. 巻: 2018.01巻 ページ: 55(p1-54)
  • DOI: 10.1007/JHEP01(2018)055
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Search for the direct production of charginos and neutralinos in final states with tau leptons in √s = 13 TeV pp collisions with the ATLAS detector (2018)
  • 著者名/発表者名: The ATLAS collaboration, (M.Aaboud, S.Asai，O.Jinnouchi，J.Tanaka，et al.)
  • 雑誌名: Phys. J. C_ 巻: 78巻 ページ: 154(p1-33)
  • DOI: 10.1140/epjc/s10052-018-5583-9
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Extending the LHC reach for new physics with sub-millimeter displaced vertices (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Ito, O. Jinnouchi, T. Moroi, N. Nagata, H. Otono
  • 雑誌名: Phys. Lett. B 巻: 771巻 ページ: 568-575
  • DOI: 10.1016/j.physletb.2017.06.003
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Search for a scalar partner of the top quark in the jets plus missing transverse momentum final state at √s = 13 TeV with the ATLAS detector (2017)
  • 著者名/発表者名: The ATLAS collaboration, (M.Aaboud, S.Asai，O.Jinnouchi，J.Tanaka，et al.)
  • 雑誌名: J. High Energ. Phys. 巻: 2017.12巻 ページ: 85(p1-56)
  • DOI: 10.1007/JHEP12(2017)085
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Search for supersymmetry in events with b-tagged jets and missing transverse momentum in pp collisions at √s = 13 TeV with the ATLAS detector (2017)
  • 著者名/発表者名: The ATLAS collaboration, (M.Aaboud, S.Asai，O.Jinnouchi，J.Tanaka，et al.)
  • 雑誌名: J. High Energ. Phys. 巻: 2017.11巻 ページ: 195(p1-50)
  • DOI: 10.1007/JHEP11(2017)195
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Search for squarks and gluinos in events with an isolated lepton, jets, and missing transverse momentum at sqrt(s) = 13 TeV with the ATLAS detector (2017)
  • 著者名/発表者名: The ATLAS collaboration, (M.Aaboud, S.Asai，O.Jinnouchi，J.Tanaka，et al.)
  • 雑誌名: Phys. Rev. D 巻: 96巻 ページ: 112010(p1-37)
  • DOI: 10.1103/PhysRevD.96.112010
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Search for direct top squark pair production in final states with two leptons in √s = 13 TeV pp collisions with the ATLAS detector (2017)
  • 著者名/発表者名: The ATLAS collaboration, (M.Aaboud, S.Asai，O.Jinnouchi，J.Tanaka，et al.)
  • 雑誌名: Phys. J. C_ 巻: 77巻 ページ: 898(p1-41)
  • DOI: 10.1140/epjc/s10052-017-5445-x
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Search for new phenomena with large jet multiplicities and missing transverse momentum using large-radius jets and flavour-tagging at ATLAS in 13 TeV pp collisions (2017)
  • 著者名/発表者名: The ATLAS collaboration, (M.Aaboud, S.Asai，O.Jinnouchi，J.Tanaka，et al.)
  • 雑誌名: J. High Energ. Phys. 巻: 2017.10巻 ページ: 034(p1-52)
  • DOI: 10.1007/JHEP12(2017)034
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Mono-jet searches (2017)
  • 著者名/発表者名: 陣内修
  • 学会等名: DM@LHC2017
  • 国際学会
• [学会発表] LHCの現状と将来のアップグレード計画 (2017)
  • 著者名/発表者名: 中本建志
  • 学会等名: 第14回日本加速器学会年会
  • 招待講演