超対称性の発見で構築する新たな時空像

2018 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

前年度に引き続き2016年度までに収集した36/fbのデータを用いた解析を行った。初期解析以外の超対称性解析チャンネルの解析を進め結果を学術誌で掲載した。一部の優先度が高いチャンネルでは2018年度までに収集した140/fbを用いて解析を緊急に行い予備結果の公表を行った。本計画研究では主に５つの結果が得られた。
(1) 強い相互作用による生成チャンネルでの探索を139/fbのデータを用いて行い、予備結果を公表した。グルイーノ、スカラー・トップの質量下限 2.35TeV, 1.94TeVを得た。探索感度向上のため信号領域を細分化並びに多変量解析を導入した。
(2) 電弱生成チャンネルを崩壊の中間粒子別にカテゴリ分けし系統的な探索を継続的に行った。中間生成したヒッグス粒子がbクォーク対、光子対に崩壊する分岐を中心に新たなWhチャンネルも開拓した。電弱超対称性粒子については0.68TeVの質量下限を得た。
(3) 長寿命のため、内部飛跡検出器や外層ミュオン検出器内で崩壊し特殊な信号を残す超対称モデルに対する解析も行った。
(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。CERNの仕様変更に基づいて、磁石断面を一新したモデル磁石2号機の開発を行った。1.9Kでの冷却励磁試験におけるトレーニング性能は良好で、合格基準を上回る13.4kAまで通電できることが確認できた。また磁場性能については、ほとんどの高調波成分で目標とする１万分の1以下であることが確認できた。
(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進めた。前年度までの記録を上回る臨界電流密度1137A/mm2@16Tを達成することができた。有効フィラメント径や残留抵抗比などの要求性能についても目標を達成しており開発は順調に進んだ。

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

Run2最終年である2018年度のデータ収集が完了し、一部の優先解析チャンネルでは早速140/fbの解析を開始した。超対称性粒子は発見されていないが、これまでLHCで得られてきた厳しい質量下限等の制限を更新する新たな厳しい結果を得ている。データ量の増加に伴い、電弱超対称性粒子生成チャンネルにおいてもこれまで困難であったWhチャンネルを扱うなど、包括的かつ系統的な信号領域の探索を行うことができるようになっている。暗黒物質候補を自然に説明する質量縮退領域、特に検出器中で崩壊する超対称性粒子に対応する解析手法の整備も進み、長寿命粒子探索に関しても系統立てた探索が行われている。

引き続き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、現地における国際協力研究へ主導的に参加してもらっている。若手研究者は解析グループの責任者に就任しており、国際協力研究推進の中核となっている。

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、次世代エネルギーフロンティア加速器に向けて、高臨界電流密度Nb3Sn超伝導線材の開発や、耐放射線性能に関する研究も順調に進んでいる。懸念されている超伝導磁石材料の耐放射線性能を検証するため、中性子及びガンマ線による照射試験を開始した。

今後の研究の推進方策

以下３点を中心に進めていく。

(1) 2018年度までに得られた180/fbの全データ量を用いた解析を推進する。衝突エネルギー13TeVの初期データ解析で見られた2-3シグマの超過チャンネルを中心に、統計量の増強ならびに探索感度や精度を向上させる手法を導入する。本年度に得られたWhチャンネル等の初期データを用いた新解析結果に関しても、全データを用いた最終解析へと移行する。データの高統計化に伴いこれまで以上に事象のカテゴリ分けを強化、系統化することが可能となる。また、一部の解析では導入済みの機械学習等新手法を取り入れた事象選別をより多くのチャンネルに導入し、超対称性粒子探索全体の感度向上を目指す。
(2) 電弱超対称性生成の中でも、検出上困難であったヒグシーノ成分を仮定する解析方法は暗黒物質候補として有効である。新たな解析手法を導入することで、これらの小さな質量縮退領域に対して良好な感度をもつ解析を開拓する。
(3) 2019年度には2mモデル磁石3号機を完成させ、磁石性能の再現性を検証する。2020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）
• [雑誌論文] Studying gaugino masses in supersymmetric model at future 100 TeV pp collider (2019)
  • 著者名/発表者名: Asai, S., Chigusa, S., Kaji, T., Moroi, T., Saito, M., Sawada, R., Tanaka, J., Terashi, K., Uno, K.
  • 雑誌名: Journal of High Energy Physics 巻: 2019.05 ページ: 179(p1-29)
  • DOI: 10.1007/JHEP05(2019)179
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Discovery reach for wino and higgsino dark matter with a disappearing track signature at a 100 TeV pp collider (2019)
  • 著者名/発表者名: Saito, M., Sawada, R., Terashi, K., Asai, S.
  • 雑誌名: European Physical Journal C 巻: 79 ページ: 469(p1-9)
  • DOI: 10.1140/epjc/s10052-019-6974-2
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Review of Particle Physics (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Tanabashi, J. Tanaka et al (Particle Data Group)
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 98 ページ: 030001(p1-1898)
  • DOI: 10.1103/PhysRevD.98.030001
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] FCC-hh: The Hadron Collider: Future Circular Collider Conceptual Design Report Volume 3 (2019)
  • 著者名/発表者名: A. Abada, S. Asai, J. Tanaka et al
  • 雑誌名: European Physical Journal: Special Topics 巻: 228 ページ: 775-1107
  • DOI: 10.1140/epjst/e2019-900087-0
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Test Result of the HL-LHC Beam Separation Dipole Model Magnet With the New Iron Cross Section (2019)
  • 著者名/発表者名: Kento Suzuki, Shun Enomoto, Norio Higashi, Masahisa Iida, Yukiko Ikemoto, Hiroshi Kawamata, Nobuhiro Kimura, Tatsushi Nakamoto, Toru Ogitsu, Hirokatsu Ohata, Naoki Okada, Ryutaro Okada, Michinaka Sugano, Andrea Musso, Ezio Todesco
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Applied Superconductivity 巻: Vol. 29, No.5 ページ: 4000905
  • DOI: 10.1109/TASC.2019.2892153
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Development of 2-m Model Magnet of the Beam Separation Dipole with New Iron Cross-Section for the High-Luminosity LHC Upgrade (2019)
  • 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. Ohhata, N. Okada, R. Okada, K. Sasaki, K. Suzuki, K. Tanaka, N. Takahashi, A. Musso and E. Todesco
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Applied Superconductivity 巻: Vol. 29, No.5 ページ: 4003607
  • DOI: 10.1109/TASC.2019.2902710
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Constraints on mediator-based dark matter and scalar dark energy models using √s_= 13 TeV_pp_collision data collected by the ATLAS detector (2019)
  • 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: 2019.5 ページ: 142(p1-p85)
  • DOI: 10.1007/JHEP05(2019)142
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Searches for third-generation scalar leptoquarks in_√s_= 13 TeV_pp_collisions with the ATLAS detector (2019)
  • 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: 2019.6 ページ: 144(p1-47)
  • DOI: 10.1007/JHEP06(2019)144
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Search for heavy charged long-lived particles in the ATLAS detector in_36.1_fb－1_of proton-proton collision data at_√s=13_TeV (2019)
  • 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: 99 ページ: 92007(p1-34)
  • DOI: 10.1103/PhysRevD.99.092007
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Search for chargino and neutralino production in final states with a Higgs boson and missing transverse momentum at_√s=13 TeV with the ATLAS detector (2019)
  • 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: 100 ページ: 012006(p1-37)
  • DOI: 10.1103/PhysRevD.100.012006
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Search for long-lived particles produced in_pp_collisions at_√s=13 TeV_that decay into displaced hadronic jets in the ATLAS muon spectrometer (2019)
  • 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: 99 ページ: 052005(p1-36)
  • DOI: 10.1103/PhysRevD.99.052005
  • 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 hadronically decaying_τ-leptons, jets, and missing transverse momentum using_pp_collisions at_√s=13TeV_with the ATLAS detector (2019)
  • 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: 99 ページ: 012009(p1-34)
  • DOI: 10.1103/PhysRevD.99.012009
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Search for heavy charged long-lived particles in proton_proton collisions at √s=13TeV using an ionisation measurement with the ATLAS detector (2019)
  • 著者名/発表者名: The ATLAS collaboration, (M.Aaboud, S.Asai, O.Jinnouchi, J.Tanaka, et al.)
  • 雑誌名: Phys. Lett. B 巻: 788 ページ: p96-116
  • DOI: 10.1016/j.physletb.2018.10.055
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Search for long-lived particles in final states with displaced dimuon vertices in_pp_collisions at_√s=13TeV_with the ATLAS detector (2019)
  • 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: 99 ページ: 012001(p1-32)
  • DOI: 10.1103/PhysRevD.99.012001
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Searching for metastable particles with sub-millimeter displaced vertices at hadron colliders (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Ito, O. Jinnouchi, T.Moroi, N.Nagata, H.Otono
  • 雑誌名: Journal of High Energy Physics 巻: 2018.06 ページ: 112(p1-46)
  • DOI: 10.1007/JHEP06(2018)112
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Search for charged Higgs bosons decaying via_H±_→_τ±ντ_in the_τ+jets and_τ+lepton final states with 36 fb－1_of_pp_collision data recorded at √s=13TeV 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: J. High Energ. Phys. 巻: 2018.9 ページ: 139(p1-47)
  • DOI: 10.1007/JHEP09(2018)139
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Search for lepton-flavor violation in different-flavor, high-mass final states in_pp_collisions at_√s=13TeV_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: 98 ページ: 092008(p1-34)
  • DOI: 10.1103/PhysRevD.98.092008
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Search for pair production of Higgsinos in final states with at least three_b-tagged jets in_√s=13_TeV_pp_collisions 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: Phys. Rev. D 巻: 98 ページ: 092002(p1-34)
  • DOI: 10.1103/PhysRevD.98.092002
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Search for chargino-neutralino production using recursive jigsaw reconstruction in final states with two or three charged leptons in proton-proton collisions at_√s=13TeV_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: 98 ページ: 092012(p1-42)
  • DOI: 10.1103/PhysRevD.98.092012
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Search for new phenomena using the invariant mass distribution of same-flavour opposite-sign dilepton pairs in events with missing transverse momentum 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 ページ: 625(p1-38)
  • DOI: 10.1140/epjc/s10052-018-6081-9
  • 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 charm jets and missing transverse momentum 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: J. High Energ. Phys. 巻: 2018.9 ページ: 50(p1-43)
  • DOI: 10.1007/JHEP09(2018)050
  • 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 four or more leptons in_√s=13 TeV_pp_collisions with ATLAS (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: 98 ページ: 032009(p1-31)
  • DOI: 10.1103/PhysRevD.98.032009
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Search for R-parity-violating supersymmetric particles in multi-jet final states produced in_p_p_collisions at__TeV using the ATLAS detector at the LHC (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. Lett. B 巻: 785 ページ: 136-158
  • DOI: 10.1016/j.physletb.2018.08.021
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Search for top squarks decaying to tau sleptons 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: Phys. Rev. D 巻: 98 ページ: 032008(p1-33)
  • DOI: 10.1103/PhysRevD.98.032008
  • 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 particles in final states with two or three leptons at_√s=13TeV_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 ページ: 995(p1-36)
  • DOI: 10.1140/epjc/s10052-018-6423-7
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 「素粒子物理実験」とAIの接点 (2019)
  • 著者名/発表者名: 田中純一
  • 学会等名: JSAI2019
  • 招待講演
• [学会発表] SUSY searches with the ATLAS detector (2018)
  • 著者名/発表者名: 陣内修
  • 学会等名: FISICPAC
  • 国際学会
• [学会発表] Theory uncertainties at HL-LHC (2018)
  • 著者名/発表者名: 陣内修
  • 学会等名: Beyond the BSM
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Search for additional neutral Higgs bosons in the MSSM (2018)
  • 著者名/発表者名: 田中純一
  • 学会等名: ICHEP2018
  • 国際学会
• [学会発表] HL-LHC及び将来計画に向けた超伝導磁石開発 (2018)
  • 著者名/発表者名: 中本建志
  • 学会等名: 日本物理学会2018年秋季大会シンポジウム 『LHC今後の5年と高輝度化(HL-LHC)計画』
  • 招待講演