中国的 LHC 合作童国梁中国科学院高能物理研究所东方科技论坛（上海） 2005. 6.28-29

童国梁(IHEP),上海,2005. 6.28-29

1 中国的 LHC 合作

中国的 LHC 合作童国梁

中国科学院高能物理研究所

东方科技论坛（上海）2005. 6.28-29

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内容提要1. LHC 强子对撞机2. LHC 实验计划：（ ATLAS,CMS,LHCb,ALICE)3. 中国参加 LHC 合作的各实验组现

状和未来计划4. 结束语

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大型强子对撞机 LHC 计划的总体情况

1993 年 10 月美国参众两院联席会议表决停建SSC ， 1994 年圣诞节前夕 CERN 理事会通过了建造 LHC 计划。这一行动强烈反映了欧洲科学家的自信，也给国际高能界带来了希望。欧洲人从 SSC 的失败中吸取了教训，他们扩大合作、精心设计、精心管理、精心施工，使 LHC的投资总额压缩到 18 亿美元；他们把合作扩大到全世界，当然，也就把实验的负担分摊到了全世界。欧洲人重新站到了实验高能物理的前列。

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超级强子对撞机（ LHC ）及其实验计划• 在 CERN 建造的 LHC 是当今世界上能量最高的加速器，计划于 2007 年建成 LHC 主要设计指标

物理运行开始时间 2007 年粒子对撞模式 p-p Pb-Pb

最大束流能量（ TeV ）

7.0 2.76(TeV/u)

亮度能散 0.1 0.1

束流长度 (cm) 7.5 7.5

束流半径 (mm)

亮度寿命 (hr) 10 6.7

加速周期 (s) 1200

注入能量 (GeV) 450.0 177.4/u

每个束团粒子数周长 (km) 26.659

）（ 12 scm 34100.1 27102

）（ 310

31016 31016

10105.10 7104.9

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LHC • s = 14 TeV (7 times higher than Tevatron/Fermilab) search for new massive particles up to m ~ 5 TeV

• Ldesign = 1034 cm-2 s-1 (>102 higher than Tevatron/Fermilab)

search for rare processes with small (N = L )

LHCb : pp, B-physics

ALICE : heavy ions

ATLAS and CMS :pp, general purpose

ATLAS and CMS :pp, general purpose

27 km ring used fore+e- LEP machine in 1989-2000

Start : Summer 2007

pp

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25 ns

Event rate in ATLAS :

N = L x (pp) 109 interactions/s

Mostly soft ( low pT ) events

Interesting hard (high-pT ) events are rare

very powerful detectors needed

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LHCLHC 实验－空前范围的国际合作

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ATLAS Collaboration34 Countries151 Institutions1770 Scientific Authors

Albany, Alberta, NIKHEF Amsterdam, Ankara, LAPP Annecy, Argonne NL, Arizona, UT Arlington, Athens, NTU Athens, Baku, IFAE Barcelona, Belgrade, Bergen, Berkeley LBL and UC, Bern, Birmingham, Bonn, Boston, Brandeis, Bratislava/SAS Kosice, Brookhaven NL, Bucharest,

Cambridge, Carleton, Casablanca/Rabat, CERN, Chinese Cluster, Chicago, Clermont-Ferrand, Columbia, NBI Copenhagen, Cosenza, INP Cracow, FPNT Cracow, Dortmund, JINR Dubna, Duke, Frascati, Freiburg, Geneva, Genoa, Glasgow, LPSC Grenoble, Technion Haifa, Hampton, Harvard, Heidelberg, Hiroshima, Hiroshima IT, Indiana, Innsbruck, Iowa SU, Irvine UC, Istanbul Bogazici, KEK, Kobe, Kyoto, Kyoto UE, Lancaster, Lecce, Lisbon LIP, Liverpool, Ljubljana, QMW London, RHBNC London, UC London, Lund, UA Madrid, Mainz, Manchester, Mannheim, CPPM Marseille,

Massachusetts, MIT, Melbourne, Michigan, Michigan SU, Milano, Minsk NAS, Minsk NCPHEP, Montreal, FIAN Moscow, ITEP Moscow, MEPhI Moscow, MSU Moscow, Munich LMU, MPI Munich, Nagasaki IAS, Naples, Naruto UE, New Mexico, Nijmegen, BINP Novosibirsk, Ohio SU, Okayama, Oklahoma, LAL Orsay, Oslo, Oxford, Paris VI and VII, Pavia, Pennsylvania, Pisa, Pittsburgh, CAS

Prague, CU Prague, TU Prague, IHEP Protvino, Ritsumeikan, UFRJ Rio de Janeiro, Rochester, Rome I, Rome II, Rome III, Rutherford Appleton Laboratory, DAPNIA Saclay, Santa Cruz UC,

Sheffield, Shinshu, Siegen, Simon Fraser Burnaby, Southern Methodist Dallas, NPI Petersburg, Stockholm, KTH Stockholm, Stony Brook, Sydney, AS Taipei, Tbilisi, Tel Aviv, Thessaloniki, Tokyo

ICEPP, Tokyo MU, Tokyo UAT, Toronto, TRIUMF, Tsukuba, Tufts, Udine, Uppsala, Urbana UI, Valencia, UBC Vancouver, Victoria, Washington, Weizmann Rehovot, Wisconsin, Wuppertal, Yale,

Yerevan

Longstanding partnershipwith Chinese teams since the beginning (R&D started in 1990)

LHC 实验国际合作的规模：以 ATLAS 合作组为例

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Physics at LHC

• Common Questions

– generation of mass

• elementary particles => Higgs => Atlas/CMS

• composite particles => QGP => Alice

confinement

• missing symmetries• SuperSymmetry: matter <=> forces => Atlas/CMS

• ChiralSymmetry: matter <=> vacuum => Alice QCD mass generation via broken chiral symmetry

(mu,d 0)

•CP Symmetry: matter <=> antimatter => LHCb Different Approaches

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ATLAS/CMS 物理目标

寻找质量范围在 115 < mH < 1000 GeV 的标准模型预言的 Higgs 波色子

寻找直到 TeV 质量的标准模型以上的物理 ( 超对称性， q/ compositeness, leptoquarks, W’/Z’, heavy q/, Extra-dimensions, ….)

精密测量 : -- W 质量 -- top 质量 , 耦合和衰变性质 -- Higgs 质量 , 自旋 , 耦合 ( 如果 Higgs 粒子被找到的话 ) -- B-physics ( 作为 LHCb 补充 ): CP 破坏 , 稀有衰变 , B0 振荡 -- QCD 喷注截面和 as

-- etc. ….

在高密度下研究从强子物质到解囚禁夸克和胶子等离子体的相变（作为 ALICE 的补充）

而这种等离子体到强子物质的转变正是大爆炸 10-5 s 后宇宙中发生的

Etc. etc. …..

这些物理目标是 LHC 实验计划最感兴趣的部分

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LHCb 物理目标

-- B- 物理 (complementing LHCb): CP violation, rare decays, B0 oscillations 弱作用的不对称性，特别是 CP 破坏，也需要在 CKM （ Cabbibo-Kobayashi-Maskawa ）矩阵结构下弄清楚。 CKM 矩阵涉及到 3 个转动角度和 1 个复数相移，目前的实验对其中的 1 个角度的测量精度较好，其余的两个角度和相因子的测量精度就很差。标准模型认为某些弱作用过程中的 CP 不守恒正是归因于这个相因子。 CP 破坏也被认为是宇宙中物质 -反物质不对称的根源。

在高温、高压核物质中寻找被量子色动力学（ QCD ）预言的新物质相，即夸克 - 胶子等离子体。由核物质到夸克 - 胶子等离子体的相变于 1975 年就由卡比玻和帕里西提出，此后理论物理学家做了许多工作来研究这种相变。他们估计相变温度为 200MeV 左右，并得出了初步相图。李政道教授高度评价这个领域的研究，他认为利用相对论性重离子碰撞来研究夸克 - 胶子等离子体这种新物质形态及其有关的相变特性是未来物理学的一个新的重要方向。相变 _ 再现了大爆炸 10-5 秒后宇宙中强子物质所发生的事情。

ALICE 物理目标

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ALICE DC III

1 级触发率和事例大小

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Expected event rates at production in ATLAS at L = 1033 cm-2 s-1

Process Events/s Events for 10 fb-1 Total statistics collected at previous machines by ‘07

W e 15 108 104 LEP / 107 Tevatron

Z ee 1.5 107 107 LEP

1 107 104 Tevatron

106 1012 – 1013 109 Belle/BaBar ?

gg~~

tt

bb

H m=130 GeV 0.02 105 ?

Already in first year, large statistics expected from: -- known SM processes understand detector and physics at s = 14 TeV -- several New Physics scenarios

以 ATLAS/CMS 实验为例， Which physics the first year(s) ?

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Search for the Higgs boson 比较乐观

ATLASATLAS

H ZZ(*) 4

5 discovery

~1 year ~3 years

~ 4 years

presentlimit

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ATLAS discovery reach

Time reach in squark/gluino mass

1 month ~ 1.3 TeV1 year ~ 1.8 TeV3 years ~ 2.5 TeVultimate up to ~ 3 TeV

寻找超对称粒子和暗物质

This particle (neutralino) is a good candidatefor the universe dark matter

Neutralino mass can be measured to 10% SUSY discovery and neutralinomass measurement at LHC can solve problem of universe cold dark matter

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中国科学家参加 LHC 合作实验情况• ATLAS 和 CMS • 1999 年 4月和 11月，以国家自然科学基金委员会 CERN

科学家签订了参加 CMS 和 ATLAS 合作实验的谅解备忘录，宣布我国正式参加 LHC 实验计划。

• 中科院高能所、南京大学、山东大学和中国科技大学以Chinese Cluster名义参加 ATLAS 合作实验；

• 中国 CMS组包括中科院高能所和北京大学。中国科技大学参加过 CMS晶体方面的研究。

• 中国的 ATLAS 和 CMS 合作项目受国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的经费支持。

• LHCb• 2002 年 10月，清华大学与 CERN 签订了参加 LHCb

的合作实验的谅解备忘录，实验经费由清华大学和国家自然科学基金委联合支持。

•

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中国组在 ATLAS 探测器建造中所承担的任务中国的 ATLAS 基金项目是由高能所和大学组（包括山东大学、南京大学和中国科学技术大学）共同承担的，经费由国家自然科学基金委和科技部联合支持。 1999 年 9 月，基金委和CERN 正式签订了中国联合组参加 ATLAS 探测器建造合作的谅解备忘录。具体可以分为两个阶段：第一阶段： 2001 年底前高能所承担子谱仪精密监控漂移管（简称 MDT ） BEE 室（ 32 个）的研制、生产任务；大学组任务，包括：（ 1 ）液氩强子端盖和前向量能器：加工 330 块铜吸收体，作为端盖量能器的后轮；提供并加工了 8,000 块钨吸收体（南京大学承担）。（ 2 ） 40 万道 TGC 的电子学 ASD 检查，并为其建立数据库（中科大承担）。（ 3 ）学习 TGC 探测器的制作和性能测量（山东大学承担）。大学组第一阶段承担的任务已按期完成任务，并受到ATLAS 合作同事的称赞。

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第二阶段： 2001 年底后高能所的任务未变，大学组决定收缩任务面集中力量生产TGC室（包括相关的电子学工作）。调整后中国组在探测器建造阶段的主要任务：建造 32 个 BEE 型和 16个 BIS.8 型 MDT 管、室（由高能所承担）；建造 400 个 TGC室（主要由山东大学承担，中国科技大学承担相关的电子学任务）。此外，应 ATLAS 合作大组的要求，中国组还承担加工、生产前向量能器钨吸收体（ 4,400 根钨棒）任务（由南京大学承担）。

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Muon Spectrometer Instrumentation

Precision chambers:- MDTs in the barrel and end-caps- CSCs at large rapidity for the innermost end-cap stationsTrigger chambers:- RPCs in the barrel- TGCs in the end-caps

The Muon Spectrometer is instrumented with precision chambers and fast trigger chambers

A crucial component to reach the required accuracy is the sophisticated alignment measurement and monitoring system

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高能

　高能所 (ATLAS 合作 ) 承担的任务独立承担子谱仪可监控漂移管 (MDT) 探测器 BEE 和 BIS.8

室的建造任务，共 48 个室 ( 由 7000 支 MDT 管组成的生产和质量保证 / 质量控制 (QA/QC) 测试。预期将于 2005 年底完成探测器组装任务。BEE 室位于端盖磁铁低温恒温器顶部，用来测量穿过桶部与端盖磁场之间过渡区域 (1.6|| 2.0) 的子径迹。由于该区域磁场分布复杂， BEE 室提供的位置信息十分重要，将使该区域内子动量分辨改善一倍以上。主要进度：　　　　　　　　　　　　　　　　 2002年 9 月　　建闰探测器生产线及测试装置　　　 2003 年11 月　完成 Module0 组装和 QC 测试 2004 年3 月　　通过 MDT 生产基地评审 2005 年 12月　完成 BEE 和 BIS8 室批量组装

至今已建造 5.500 支 MDT 管， 28 个 MDT 室 , 　并运出了 17 个MDT 室

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子谱仪 MDT 室

每个室由多层漂移管用胶粘接组成漂移管工作在高气压（ 3 bar ）下通过光学准直系统监测室的变形所谓可监控漂移管（ MDT ）室

用于磁偏转方向的子横动量的精密测量，其性能对 ATLAS 实验主要物理目标的实现具有特殊的作用。共有 1200 个室，约 370,000 支漂移管，由 7 个国家的 14 个基地承担建造。

结构特点：

指标要求：室空间分辨 50m 单管分辨 80 m 单管的丝定位精度 10 m r.m.s 室内丝定位精度 20 m r.m.s 满足 LHC 实验环境：在高计数率条件下工作，抗辐射能强，工作寿命长。主要工作参数：混合气体 Ar/CO2

(93/7)

气压 3 bar

增益 2104

工作电压 3080V

最大漂移时间 ~ 700ns

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The IHEP ATLAS MDT clean room

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　　　山东大学 (ATLAS)承担的任务　　　　　　　 ( 所有 TGC读出电子学由中国科大测试 ) 　　

400 TGCs (L1 级触发室 )山东大学负责 400 TGC室的生产。在 ATLAS探测器中的位置见右图黑圈所示。

置于 ATLAS 谱仪的端盖部分。它主要用来提供μ子的触发信息和粒子的方位角坐标。要求有很好的时间分辨率和位置分辨率。

400TGC 室已经全部完成并运出至今

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质量控制

石墨板的电阻要求控制在0.5Mohm~1.5Mohm 范围

窄隙室的平整度好于0.2mm

室漏电流小于 1A

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中国 ATLAS 合作 TGC 研制与生产得到高度评价

ATLAS-MUON 组负责人 Giora Mikenberg 教授于 2004 年 12 月22日对山东大学为 ATLAS研制生产的 TGC 探测器作出了探测器质量的评估报告（见附件）。

报告中指出：“… 196 个 TGC 探测器，经过了… 效率扫描检测以及……辐照检测。在这些检测中没有发现过一台探测器的质量低于所要求的质量标准，而且各方面的性能都明显超越”。

在该报告中特别指出：“所有山东大学生产的探测器的“低灵敏区域”都低于 1%（规定的质量标准是 5%）。相对于 ATLAS 的其它两个研制基地，日本的 KEK （高能物理研究所）以及以色列的Weizmann研究所，… .达到如此的高质量，这确实是一个突出的成绩”。

ATLAS负责人 Peter Jenni 及日本同行也来函表示祝贺。

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Conclusion

高能所承担 CSC室的生产；北京大学承担 RPC室生产

ME1/3ME1/2

IHEP Task:

72 ME1/2 & 72 ME1/3 CSC Assembly &Testing

For CMS Endcap Muon System

中国 CMS组在探测器建造中所承担的任务

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CMS 中国组的任务 1.桶部 MDC 高压板 (IHEP), 2003 年完成 .

2. 端盖 Muon 子 CSC室建造 (IHEP)

150CSC 室 (阴极条室 Cathode Strip Chamber),已全部完成并运至CERN

3. 制造机械部件（ Mechanical parts ）

CMS 端盖磁体支架 (IHEP),2000 年完成桶部 Muon 子支架 IB1+IB4 (IHEP), 2004完成大厅地板 (IHEP), 2004交付

4. 端盖和桶部的 Muon RPC室 (Beijing University)

5. 参加 CMS 的装配 : 2.5 人 - 年 / 年

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Long term HV training3.6KV 2weeks, 3.7KV 2 weeks3.8KV one month.

高能所 CMS/CSC FAST Site

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24 scintillators read out at both ends

VME/NIM

DAQ system

Muon

Scintillation

hodoscope

CSC chamber

CSC FAST 试验装置

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装配和实验了 1/3 桶部的 RPC （ RB1 ）、 1/4 端盖 (RPCRE1/2-3) ：

station Quantity Area Total area bare chamber Grand total

RB1 120 5.2m2 624 m2 480 1248 m2

RE1/2-3 144 ~2.0 m2 290 m2 432 580 m2

由于在 CMS取得的经验和声誉，美国 RHIC-PHENIX 的升级中决定和北大合作采用 RPC （已经签订合同），北大将负责研制、批量组装、测试、运行的全部技术责任 .

我们承担的桶部 RPC批量组装测试已经基本完成，端部 RPC已完成约一半，质量符合要求。有把握按时、按质完成好合作任务。

北京大学 (CMS 合作 )RPC

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清华组在 LHCb 合作中承担的任务• 清华组参加了 LHCb 电子学工作• Tell1 (+GBE+OTR), 外层径迹室高压卡的测试系统

与 CERN, Lausanne, NIKHEF, Heidelberg 紧密合作取得了显著进展

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GBE card on TELL1

• Collaboration with CERN

• Design/Test/production

One of the versions of GBE designed byTsinghua members

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GBE V5

GBE Version 5. One pre-series of 20 boards had been produced at Tsinghua University in 2005.

400 GBE cards in total will be produced and tested at Tsinghua University in 2005.

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ORC card on TELL1

• Collaboration with Heidelberg

• ~400 ORC board will be produced and tested in Beijing in 2006

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Visit of Professor Chen Jiaer to the ATLAS experiment pit on 4th April 2002

Visit of Deputy MinisterLiu Yanhua to the ATLAS pit on 17th February 2004

中国科技部和基金委领导参观 LHC 实验

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计算环境建设和物理分析准备• 目前参加 LHC 合作实验的各中国组承担的探测器建

造任务都已接近尾声• 参加 ATLAS 、 CMS 和 LHCb 的 3 个 LHC 合作实

验的中国组承担的探测器建造任务有的部分已经完成，有的部分稍晚也将于今年年底或明年年初完成。总体进展顺利。

• 计算环境建设和物理分析准备工作已经开始• 网格计算环境建设• 队伍培养与国际合作• 物理选题准备

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Find the Needle in a Haystack

9 个数量级的差别

所有物理过程

HIGGS 粒子

稀有事例和巨量本底的混杂

挑战：大海捞针 9101：

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LHC 计算需求 LHC 计算需求

12 － 14 PetaBytes/ 年LHC刻度、重建、模拟等计算所需的CPU ： 100 Million SPECint2000 每年产生的数据：如右图所示

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LCG ：The LHC Computing Grid Project

grid for a physicsstudy group

Tier3physicsdepartm

ent

Desktop

Germany

Tier 1

USAUK

France

Beijing?

Taipei

CERN Tier 1

JapanCERN Tier 0Tier2

Lab aUni a

Lab c

Uni n

Lab m

Lab b

Uni bUni y

Uni xgrid for a regional group

• 合作成员• LHC 实验• Grid 计划：国家和地区中心

• 途径• 采用网格技术• 采用“ Tier” 分级结构• 主要使用 Intel CPU• 主要使用 Linux操作系统• 目标• 部署计算环境为 LHC 实验

数据分析创造条件

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Why Tier-1: Essential for LHC

• A Tier-1 is essential for the Chinese physicists involved in LHC experiments.

China contributed a lot on building LHC detectors. Physicists need a tool to access and analyze LHC data.

• 网络 : Gloriad 美－欧－俄－中－美 10Gb/s• No computing, no physics!

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Tier1- 中国 LHC 合作实验的规划和期待

Tier-1 in the worldTier-1 center ALICE ATLAS CMS LHCb

ASCC （台湾） X X

CNAF （意大利） X X X X

PIC （西班牙） X X X

CC-IN2P3 （法国） X X X X

GridKA （德国） X X X X

RAL （英国） X X X X

BNL （美国） X

FNAL （美国） X

TRIUMF （加拿大） X

NIKHEF/SARA （荷兰） X X X

NORDIC DATA GRID FACILITY （北欧）

X X

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物理分析准备• ATLAS 中国联合组高能所：与法国 CPPM 合作，学生、访问学者互访，合作研究并为我

们培养了人才。目前， IHEP ATLAS 软件环境建设和物理课题预选工作已经启动。

• 对 ttH 物理课题进行了模拟研究：完成了 ttH快蒙特卡罗模拟分析，在高能所的机器上基本成功地安装了 ATLAS 最新软件9.0.3,现可做 ATLFAST ，产生和模拟作业。也有人对 Higgs做初步研究。

山东大学、南京大学：对初步选择 Top 夸克物理开始作些研究。中国科技大学：几位在强子对撞实验 D0 有兴趣的专家正在研究

在强子对撞机如何探测 R-parity 破坏 em 共振中的sneutrino

• 物理分析队伍正在逐步成长，最终计划形成包括 14 senior physicists and 6-7 Phd. Students 较强的分析组。

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ATLAS software releases at IHEP (ATHENA,LCG)

01-02/2005

installed ATHENA 9.0.3 at IHEP lcg002, run successfully ATLAS ttH generation and fast simulation jobs

03-04/2005

installed ATHENA 9.0.4 and 10.0.1 at IHEP lcg002, and 9.0.4 at IHEP lcg003. Both of releases KitValidation checks are OK. run successfully ATLAS ttH full simulation jobs

ttH Full simulation at IHEP LCG003 from Dr. LU)

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物理分析准备（续 )

• 中国 CMS 合作组• 在一些专门衰变道中寻找 Higgs 粒子和超对称性粒子 • 以 Bc 和 high-pt J/ 研究作为启动，寻找一些有意义的工作。

• 在研究中，在选取合适的研究课题方面与中国的理论家密切合作。

• 熟练使用网格计算方式。• 在研究工作中逐步建立较强的数据分析队伍。

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HVV anomalous coupling

• H: Higgs VV: ZZ or WW, qqVV final states• Goal: To study the HVV coupling property, to verify the Higgs observed belongs to SM or not

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物理分析准备（续 )

• 中国 LHCb 组• 继续工作在软件、 Bc 、 b, 并参与在 CP

破坏研究方面的挑战 .

• 与其他 LHC 实验分享计算设施，清华将从计算科学专业队伍中派人参与 LHCb 的工作。

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结束语

• 中国已参加的 3 个 LHC 实验所承担的探测器建造任务总体进展顺利，可望于今年年底或稍晚时候全部完成。

• LHC 上的合作实验正转向新阶段。软件发展、计算环境建设和物理分析准备已经走向前台，人力、经费和进度表已进行了计划。

• 为 LHC 国际合作实验设计的中国的网格计算(Grid) 计划对于开展 LHC 物理研究是必不可少的。

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结束语 ( 续 )

• 中国科学家对于 LHC 实验的数据分析已有一定的基础和良好的潜力，但需要得到适当的支持。

• 和探测器建造阶段一样，物理分析阶段的财经支持需要尽快解决。这种支持应该由 NSFC ，MOST,CAS 和 MOE 联合实施。

• 谢谢！

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中国的 LHC 合作 童国梁 中国科学院高能物理研究所 东方科技论坛 （上海） 2005. 6.28-29

中国的 LHC 合作童国梁中国科学院高能物理研究所东方科技论坛（上海） 2005. 6.28-29