2017年夏までの成果標準模型の検証とトップクォークの測定

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素粒子標準模型

1970年代にグラショー，ワインバーグ，サラムによって提唱された電弱統一理論と，強い力を記述する色力学（QCD）を合わせて，素粒子の標準模型と呼ぶ。ダークマターの存在など，標準模型だけでは説明のつかない現象が存在するため，標準模型を超える「新しい物理」が存在すると考えられている。標準模型の予言を高い精度で検証し，その予言からの乖離を見つけることにより，新しい物理の発見を目指す。

トップクォークの測定

pp

500 µb−1500 µb−1

80 µb−1

W Z t̄t tt-chan

WW H

total

VBF

VH

tt̄H

Wt

2.0 fb−1

WZ ZZ ts-chan

t̄tW t̄tZ tZj

σ[p

b]

10−1

1

101

102

103

104

105

106

1011Theory

LHC pp√

s = 7 TeV

Data 4.5 − 4.9 fb−1

LHC pp√

s = 8 TeV

Data 20.3 fb−1

LHC pp√

s = 13 TeV

Data 0.08 − 36.1 fb−1

Standard Model Total Production Cross Section Measurements Status: July 2017

ATLAS Preliminary

Run 1,2√

s = 7, 8, 13 TeV

標準模型粒子が生成される確率の実測値と予言値予言値の幅が10の12乗にも拡がっているにもかかわらず，様々な粒子について，その予言値が実測値と一致する。

]TeV [s4 6 8 10 12 14

[pb]

Tota

l pro

duct

ion

cros

s se

ctio

n

10

210

310

tt → pp

NNLO+NNLL

tq → pp

NLO+NNLL

WW → pp

NNLO

WZ → pp

NNLO

H → pp

LO ggF)3LHC-XS (N

ZZ → pp

NNLO

tt → pp, Eur. Phys. J. C 74:3109 (2014)-17 TeV, 4.6 fb

, Eur. Phys. J. C 74:3109 (2014)-18 TeV, 20.3 fb, arXiv:1606.02699-113 TeV, 3.2 fb

tq → pp, PRD 90, 112006 (2014)-17 TeV, 4.6 fb

, arXiv:1702.02859-18 TeV, 20.3 fb, arXiv:1609.03920-113 TeV, 3.2 fb

WW → pp, PRD 87, 112001 (2013)-17 TeV, 4.6 fb

, JHEP 09 029 (2016)-18 TeV, 20.3 fb, arXiv:1702.04519-113 TeV, 3.2 fb

WZ → pp, Eur. Phys. J. C (2012) 72:2173-17 TeV, 4.6 fb

, PRD 93, 092004 (2016)-18 TeV, 20.3 fb, Phys. Lett. B 762 (2016)-113 TeV, 3.2 fb

H → pp, Eur. Phys. J. C76 (2016) 6-17 TeV, 4.5 fb

, Eur. Phys. J. C76 (2016) 6-18 TeV, 20.3 fb, ATLAS-CONF-2017-047-113 TeV, 36.1 fb

ZZ → pp, JHEP 03, 128 (2013)-17 TeV, 4.6 fb

, JHEP 01, 099 (2017)-18 TeV, 20.3 fb, ATLAS-CONF-2017-031-113 TeV, 36.1 fb

PreliminaryATLASTheoryMeasurement

標準模型粒子が生成される確率のエネルギー依存性

[TeV]s2 4 6 8 10 12 14

cro

ss s

ectio

n [p

b]t

Incl

usiv

e t

10

210

310WGtopLHC

ATLAS+CMS Preliminary May 2017

* Preliminary

)-1 8.8 fb≤Tevatron combined 1.96 TeV (L )-1CMS dilepton,l+jets* 5.02 TeV (L = 27.4 pb

)-1 7 TeV (L = 4.6 fbµATLAS e)-1 7 TeV (L = 5 fbµCMS e

)-1 8 TeV (L = 20.2 fbµATLAS e)-1 8 TeV (L = 19.7 fbµCMS e

)-1 8 TeV (L = 5.3-20.3 fbµLHC combined e)-1 13 TeV (L = 3.2 fbµATLAS e

)-1 13 TeV (L = 2.2 fbµCMS e)-1* 13 TeV (L = 85 pbµµATLAS ee/

)-1ATLAS l+jets* 13 TeV (L = 85 pb)-1CMS l+jets 13 TeV (L = 2.3 fb

)-1CMS all-jets* 13 TeV (L = 2.53 fb

WGtopLHC

NNLO+NNLL (pp))pNNLO+NNLL (p

Czakon, Fiedler, Mitov, PRL 110 (2013) 252004 0.001±) = 0.118

Z(Msα = 172.5 GeV, topNNPDF3.0, m

[TeV]s13

700

800

900

[GeV]topm165 170 175 180 1851

17

0.64± 174.34 (arXiv:1407.2682)Tevatron Comb. Jul. 2014

0.76± 173.34 (arXiv:1403.4427)World Comb. Mar. 2014

0.70± 172.84 Phys. Lett. B761 (2016) 350ATLAS Comb. June 2016

-1 =4.6 fbintLJHEP 10 (2015) 121+1-jet) t(tσ 2.1

2.3 ±173.7

-1 =4.6-20.3 fbintLEur. Phys. J. C74 (2014) 3109) dilepton t(tσ 2.6

2.5 ±172.9

-1 = 20.2 fbintLarXiv:1702.07546all jets 1.0 )± ( 0.6 1.2 ±173.7

-1 = 20.2 fbintLPhys. Lett. B761 (2016) 350 dilepton → 0.7 )± ( 0.4 0.8 ±173.0

-1 = 4.7 fbintLEur. Phys. J. C75 (2015) 330 dilepton → 1.3 )± ( 0.5 1.4 ±173.8

-1 = 4.7 fbintLEur. Phys. J. C75 (2015) 330 l+jets → 1.0 )± 0.7 ± 0.2 ± ( 0.2 1.3 ±172.3

-1 =20.3 fbintLCONF-2014-055single top* 2.0 )± ( 0.7 2.1 ±172.2

-1 = 4.6 fbintLEur. Phys. J. C75 (2015) 158all jets 1.2 )± ( 1.4 1.8 ±175.1

-1 - 20.3 fb-1 = 4.6 fbint

summary - May 2017, Ltopm

syst.)± bJSF ± JSF ± tot. (stat. ± top m

σ 1 ±World Comb. stat. uncertainty

bJSF uncertainty⊕ JSF ⊕stat. total uncertainty

Input to ATLAS comb.→Preliminary, *

ATLAS Preliminary

トップクォークは，他の標準模型素粒子に比べて桁違いに重く（＝ヒッグス粒子との結合力が桁違いに大きい），クォーク単体で崩壊してしまう唯一の粒子である。これらの特徴から，標準模型の精査の中でも，特に，新物理に対する感度が高いと期待されている。質量が非常に大きいため，ヒッグス場のポテンシャルの形に強く影響を与える。特に，宇宙誕生直後のような超高エネルギーでのヒッグスポテンシャルの安定性がトップクォーク質量に影響されるため，質量の精密測定が注目を浴びている。 主なトップクォーク対生成過程（左）

トップクォーク対候補事象（上）

様々な手法による，トップクォーク質量測定の結果。現在の測定精度は，1%以下にまでなっている。

トップクォーク対生成確率のエネルギー依存性。米国でのTevatron実験と合わせて，5つの異なるエネルギーで測定している。