| 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～ |
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| 研究課題/領域番号 |
16H06491
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| 研究機関 | 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構 |
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研究代表者 |
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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| 研究分担者 |
受川 史彦 筑波大学, 数理物質系, 教授 (10312795)
東城 順治 九州大学, 理学研究院, 准教授 (70360592)
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| 研究期間 (年度) |
2016-06-30 – 2021-03-31
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| キーワード | ヒッグス / 真空の構造 / 湯川結合 / LHC / ATLAS実験 / シリコンピクセル検出器 |
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| 研究実績の概要 |
ATLAS実験にてヒッグスボソンの性質を精査し，真空の構造の理解を深めることが本計画班の研究目的で，それにより，領域全体とし，新たな時空と真空の統一的描像の構築を目指す。
LHC加速器は順調に稼働し，そのルミノシティは設計値の2倍を超えた。その高い衝突頻度で生成される粒子を検出するためには，検出器も当初の想定以上の性能を発揮させる必要がある。特に，衝突点近傍に設置してある，シリコンピクセルおよびストリップ検出器では，データ量が飛躍的に増大し，安定した運転のためにはデータ収集系の刷新と，きめ細かな調整作業が必要であった。本研究グループは，これらの検出器の保守運転を主導し，データ収集効率99.9%を達成した。
ヒッグス粒子の研究においては，統計量を増やすとともに系統誤差を抑える工夫などにより，H→bb崩壊事象を3.6σの有意度で観測した。ヒッグスとボトムクォークとの湯川結合の直接検証で，湯川結合の直接観測はタウに続いて2番目となった。クォークとの結合という意味では初めての観測である。また，トップクォーク対を伴うヒッグス粒子生成事象の兆候も掴んだ。ヒッグス粒子の共鳴状態を捉えてはいないが，背景事象の可能性を4σを超える有意度で棄却した。
ピクセル検出器開発では，信号読み出し用ICとバンプボンディングされたピクセルセンサーをフレキシブルプリント基板に搭載する技術確立を進めた。冶具の開発，耐放射線性のある具材の選定，取り付け手法と工程の最適化，封止材の選定等を進めて，モジュール化した試作品を製造した。フレキシブルプリント基板自身についても，本研究グループによる独自開発によるものである。センサー開発においては，新たに開発中の信号読みし用ICと合致する新たなセンサー設計を進めた。これまでのものよりもピクセルサイズが小さく，また，ノイズを小さく抑えるための工夫を取り入れた。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
LHC加速器の瞬間ルミノシティは設計値の2倍を超えた。単位時間に生成される粒子数も設計の2倍以上になっているが，それでも，検出器はデータ収集効率を落とすことなく，データ収集を続けている。各検出器において，繊細な調整作業を行い，また，段階的にデータ収集系を刷新していることによる成果である。特に，本研究グループが運用を主導しているシリコンピクセルおよびストリップ検出器は，粒子数密度増大の影響を最も深刻に受け，データ収集の帯域不足が常に深刻な問題となるが，本研究グループの活躍により円滑なデータ収集を行っている。これは高く評価されてよい。
このように順調な運転により，データ収集量も当初の想定通りあるいは想定以上に達している。その恩恵を十二分に活かし，予想よりも早くボトムクォークの湯川結合を直接検証することに成功した。また，終状態のヒッグス粒子を積極的に同定するには至っていないが，トップクォーク対を伴うヒッグス生成事象も観測した。この時点でトップとボトムという2つのクォークとヒッグスの結合を直接観測できたのは，加速器および検出器が設計を上回る性能を発揮，運用できたことと，機械学習を取り入れた新たな解析手法の考案や，系統誤差を丁寧に抑える努力を積み重ねた結果である。
ピクセル検出器開発では，本学術領域発足前はセンサー開発に集中していたが，本領域が発足したことにより，ピクセルセンサーおよびICとフレキシブル基板を一体化させたモジュール製造という新たな展開に進むことができた。ATLASグループ内でも一目置かれるアクティビティとなっており，本研究グループの存在感がシリコン検出器グループ内で大いに高まった。一方，センサー開発においてもこれまで通りの存在感を示し続けている。
以上から，当初の計画以上に進展していると判断する。
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| 今後の研究の推進方策 |
大統計のデータを使うことで検出器の理解が進み系統誤差を抑えることができるので，測定精度を上げるためには統計量を増やすことが本質的に重要である，そのためには，円滑な検出器運用が欠かせない。特に，LHCは設計値を大幅に超えるルミノシティで走っているので，検出器の繊細な調整作業と，データ収集系の改善により，今後もシリコンピクセルおよびストリップ検出器の今年度並みのデータ収集効率で運用していく。
トップクォークとボトムクォークの湯川結合が直接検証されたとはいえ，その測定精度はまだ悪い。現在の測定結果は，今まで収集したデータ全てを使っておらず，また，ここ1年でさらに統計が50%以上増える見込みなので，それらのデータを使い，測定精度を向上させる。特にトップクォーク対を伴うヒッグス生成事象に関しては，少統計ながら系統誤差の少ないH→γγ終状態を使うことで，その測定精度の向上，および，ヒッグス共鳴をトップクォーク対と同時に捉える。さらに，将来を見据えたパイロット測定の意味も込めて，第2世代フェルミオンとヒッグスとの結合事象を探索する。また，標準模型を超えるヒッグス粒子存在の可能性を追い，ヒッグス粒子が対となって生成される事象の探索も推進したい。
ピクセル検出器開発では，まずは，新たに設計したセンサーの性能評価を行う。想定通りノイズを小さく抑えることができるかどうか，ピクセルの境界での電荷収集効率が想定通りかをビームテストなどで確認する。また，ピクセルサイズが小さくなっているので，バンプボンディングの歩留まりがこれまで通りかも早急に確認し，技術開発にフィードバックをかける。モジュール製造では，放射線耐性が使用を満たす具材を揃えて，製造工程をまずは確立したい。その後，実機製造を見据えて，大量生産時のコストダウンへ向けた最適化を行う。
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