A search for long-lived charginos in anomaly-mediated supersymmetry breaking (AMSB) models is performed using 4.7 fb-1 data of pp collisions at √s=7 TeV with the ATLAS detector. In the AMSB models, the wino is the lightest gaugino and the lightest chargino and neutralino (as the lightest supersymmetric particle) are dominantly composed of the charged and neutral winos, respectively. Furthermore, the masses of the charged and neutral winos are highly degenerate, which results in a significant lifetime of the chargino. The lightest chargino decays into a neutralino and a soft charged pion. Due to the mass degeneracy, the momentum of the pion originating from the chargino decay is too soft to be reconstructed in collider experiments. The neutralino escapes detection; therefore, the decaying chargino could be identified as a high momentum track breaking up in the tracking volume (disappearing track).

In this dissertation, a method for detecting such chargino tracks is newly developed. The transition radiation tracker (TRT) employed as one of the ATLAS inner detectors, consisting of a lot of drift tubes, is used for the identification of the disappearing track. A large number of associated hits in the TRT detector for the stable charged particles while a smaller number is expected for decaying charginos. By requiring a small number of TRT hits along a track, the chargino track is discriminated to the track of the SM particles.

After the application of selection requirements, three hundred and four candidate tracks remain. The background and signal yields are determined by an unbinned maximum likelihood fit on the pT of the tracks. The pT spectrum of the candidate tracks is consistent with the background-only hypothesis and no excess of data is found.

New constraints on the chargino properties and the AMSB model parameters are then set. A chargino having a lifetime of 1 ns is excluded up to a chargino mass is less than 120 GeV in the region m3/2 > 2000 GeV at 95% Confidence Level (CL). For a chargino having a lifetime of 0.3 ns a constraint of a chargino mass > 100 GeV in the region m3/2 > 2000 GeV is set at 95% CL.

本論文は10章からなる。第1章のイントロダクションでは素粒子の標準理論を超えた物理の展望の記述を通して、本研究の背景が述べられている。第2章では本研究を行ったLHC加速器とATLAS測定器について記述されている。第3章では本研究の対象である長寿命の荷電粒子から予想される一般的な考察が書かれている。第4章は本研究を行う際に必要な事象再構成方法と計算機シミュレーションに関して述べられている。第5章では本研究で探索する荷電粒子について予想される内部検出器中で飛跡が途中で消えるような特徴的な事象を探すための条件が記述されている。第6章では第5章で記述した条件で残ってくる標準過程からのバックグラウンド事象について考察されている。第7章では、第5章で記述した信号についてどの程度の系統誤差があるかを評価している。第8章では今までの検討をふまえて長寿命の荷電粒子の信号とバックグラウンドを最終的にどのように区別したかが記述されている。第9章は長寿命の荷電粒子を探索した結果が記述されており、この結果が超対称性モデルに与える制限についての検討結果が記載されている。第10章は本論文のまとめである。

素粒子の標準モデルは非常に成功しているものの理論的には十分満足のいくモデルではない。標準モデルでは特に15桁以上も違う2つのエネルギースケールが存在する階層性問題を説明できない。これを説明する一つの可能性として、超対称性モデルが提唱されている。このモデルは魅力的であるものの現実の世界では我々の知る粒子の超対称性のパートナーの粒子が見つかっておらず、何らかのかたちで超対称性が破れているはずである。この超対称性の破れのモデルの1つが本研究の対象となったアノーマリー・ミーディエーテッド超対称性の破れのシナリオである。このモデルによれば、超対称性の荷電粒子(Chargino)は一番軽い超対称性粒子より少し重くなり、その結果検出器でその飛跡が観測できる程度の長寿命となることが考えられる。本研究はこのような長寿命の荷電粒子を探索し、超対称性の研究を実験的に行うものである。本研究は2010年本格的に実験が開始されたLHCのATLAS実験のデータをもちいて、はじめて本格的に可能となった超対称性の研究を行うものである。

このため、 論文提出者は2011年ATLAS実験装置で観測・記録されたLHCの3.5TeVどうしの陽子・陽子衝突の4.7fb-1データを解析して、他の粒子から離れた高横運動量を持つ(超対称性)荷電粒子が中心部分の飛跡検出器の途中で崩壊して別な(超対称性)中性粒子と低エネルギー粒子に崩壊している証拠を探索した。具体的には、高横運動量を持つ荷電粒子が飛跡検出器の途中で消えたと考えられる事象を探索した。

解析の結果、データの分布は標準理論で考えられるバックグラウンドの予言値とよく合い、超対称性モデルで予言された荷電粒子については発見されず、アノーマリー・ミーディエーテッド超対称性の破れのシナリオのパラメータに新たな制限をつけることになった。超対称性という新たな物理への突破口は発見できなかったものの、素粒子の標準モデルを超えた物理の可能性として非常に多くの研究がなされている超対称性モデルの1つに制限をつけた意義はたいへん大きい。

なお、本論文の研究内容はATLAS共同実験の観測結果に基づく結果であるが、超対称性モデルに基づく荷電粒子の探索に関する研究は論文提出者が主体となって遂行したもので、論文提出者の寄与が十分大きいと判断する。

従って、博士(理学)の学位を授与できると認める。