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素粒子実験領域，実験核物理領域合同シンポジウム

LHC First Collisionに向けた実験準備

イントロダクション

2008年 3 月 23日

　近藤敬比古 (KEK)

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ＬＨＣ計画の目的

・ 標準モデルによれば、粒子の質量の起源であるヒッグス場が存在し、ヒッグス粒子が最低１種類存在するはずであるが、まだ発見されていない。

・ ヒッグス粒子は、 LHC エネルギー領域に存在すると予言され、 LHC 運転開始後２，３年で殆ど確実に発見される。

・ LHC のエネルギー領域で、標準モデルを越える超対称性粒子などの新しい粒子が発見される可能性が高い。中性の最軽量の超対称性粒子は暗黒物質の有力候補でもある。

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標準ヒッグス粒子の発見可能性（約 2 年の運転）

1 TeV 領域で SUSY 粒子の存在すれば1016GeV付近の３つの力の大統一が可能になる。

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LHC 加速器　　・陽子・陽子衝突エネルギー :14 TeV・鉛イオン衝突エネルギー：　 5.5 TeV/A・周長 27km の地下トンネル内に設置される。・ 8.33 の超伝導双極電磁石ﾃｽﾗ 1,232 台など。・総重量 35,000 トン , LHe130 トン , LN2 10,000 トン。

・総建設費（実験込み）：約 5,000 億円。・建設期間： 1996 ～ 2008 年。

国際協力　・ CERN 加盟国に日・米・露・カナダ・インドなどが協力。

・日本は計 138.5 億円の加速器建設協力を行っている。

・ KEK は衝突点の超伝導 4 極電磁石を開発製造した。

実験装置・アトラスと CMS （ pp 衝突で Higgs ・ SUS Ｙなどの探索）

・アリス (ALICE, 重イオン物理）・ LHCb （ B 物理）　

周長 27km の LHC と４つの実験装置。ﾄﾝﾈﾙ

2007.4.26 : 全超伝導電磁石約 1700 台が設置。2007.11.7 : 超伝導電磁石の接続が完了。

L H C 計 画

→→→ アリス実験については志垣氏の講演

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1700 台を越える超伝導電磁石は、全て地上で冷却励磁検査され、週２５台のペースで設置された。接続のため40,000 ヶ所以上の真空溶接作業が延々と続いた。

2008 年 3 月 22 日の LHC の８セクターの温度。空色が液体ヘリウム温度。赤色が常温。運転時は全て空色になる。

L H C 加 速 器

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1995 年 6 月に与謝野文部大臣（写真左）が CERN 理事会に出席し、日本のLHC 加速器建設協力を非加盟国の中で最も早く発表した。右は C. リュエリン= スミス CERN 所長（当時）。

日本による LHC 加速器建設協力

ビーム衝突点で陽子ビームを絞りこむ超伝導４極マグネット（計８セット）は、日本（ KEK ）と米国 Fermilab が独立に設計・製造した。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

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LHC 加速器の現状　

・ 全周の８分の１のセクター（ダイポール約 150 台分）の電力試験を 1-2 月に行い、 5.3TeV相当の磁場まで励磁に成功した。幾つかのマグネットでクエンチが発生した。

・ トレーニングクエンチによる 7TeV相当磁場の到達には時間がかかる　→

　　 option-1 ：２ヶ月待って 7 TeV を目指すか？　　 option-2 ：早急な 5TeV程度での衝突を目指すか？←選択

・ 6 月末に LHCへのビーム入射を始め、 8月末に 5TeV+5TeV=10TeV の衝突をめざす。

・ 2009 年冬に 7TeV まで上げる。 14TeV 衝突は 2009 年春に延期される。

・ 2008 年 4 月末にビームの最終予定を決定する。→→→ 　 Frank　Zimmermann　(CERN) 　の講演

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TeV

陽子

陽子

衝突

での生成断面積

L=103 ４ cm-2s-1 での頻度

陽子衝突頻度 : 1 GHz

b quark: ~10 MHz

W boson: 1 kHz

Top pair : 10 Hz

500GeV SUSY: 0.5 Hz

S/N

~1

0-12

LHC 実験の特徴（運命）：・ 発生イベント数が膨大である。・ バックグランドが極端に多い。・ 放射線レベルが非常に高い。

200GeV H→4 leptons: 　　　　 0.0002 Hz

粒子の質量

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Minimum bias event から発生する荷電粒子の rapidity分布は中心付近でフラットな分布を示す。

pp 実験の放射線レベルの概算

P P

検出

器要素

dS

(rapidity)

scmparticlessin

2 2

9

22

10

22 rdr

dNN

dr

dNN

dS

dNN

chppchppchpp 　 　　 　

6d

dNch

)2

ln(tan

r(cm)

衝突点を向いている検出器要素を通過する荷電粒子の数は、ｒ（ビーム軸からの距離）のみによる。

衝突点

cm 10r @ year/cmparticles/

cm 10r @ cmMHz 2

2

1410

10

　

同じ放射線レベル

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LHC 実験では放射線レベルが非常に高い !!

Central Solenoid

Barrel EM calorimeter

Cryostat for Barrel LAr calorimeter

1 m

Beam pipe

Tile Calorimeter

Straw tracker

SCT tracker Pixel

ピクセル検出器

3.4MRad, 6x1014neq/cm2

L=1034 cm-2s-1 での１年分の 放射線レベル

前方カロリメター

230MRad, 1016neq/cm2

シリコン半導体検出器

1.5MRad, 3x1013neq/cm2

ストロー飛跡検出器0.3MRad, 6x1012neq/cm2

Max. rate ~ 15 MHz

液体アルゴンカロリメター60kRad,

1.5x1013neq/cm2

→　全ての検出器・電子回路に相応の放射線耐性が要求される。

ATLAS の中央部断面図

→→→ 　海野氏と佐々木氏による講演を参照

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日本による担当部分

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アトラス（ ATLAS ）測定器

・ 陽子・陽子衝突現象を測定し、ヒッグス粒子などを測定する。・ 高さ：２５ｍ、全長：４４ｍ、重量：７０００トン　・ ３７ヶ国 約２１００人。日本からは KEK ・東京大・神戸大など 15機関から約 60名の研究者。

・ 日本による測定器建設協力は建設費ベースで７％レベル。

端部ミュオントリガー

システム

シリコン半導体飛跡検出器

　超伝導ソレノイド

ミューオン飛跡検出器用 TDCチップ

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2004 年 2 月に CERN にて液体アルゴンカロリメターに組込まれた（写真）。励磁試験の後、 2005 年 11 月に地下のアトラス実験装置に据え付けられ、 2006 年 8月 1日に最終位置での 8kA の励磁に成功した。

超伝導ソレノイドは、 KEK で設計され、東芝にて製造された（写真）。 2000 年 12 月に東芝にて8400A の励磁テストに成功した後、 CERN に送られた。

ATLAS 超伝導ソレノイド

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宇宙線テスト（神戸大）

KEK で TGCチェンバー 1200 台を製造（ 2000-2004)

セクター組立と回路据付

地下実験場でのアトラス測定器へ組み込み作業 (2006-2007 ）

ATLAS端部ミューオントリガーシステム　（１）　チェンバー

)2

ln(tan

→→→ 　石野氏による講演

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種々の回路ボード全部で 32万チャンネ

ル分

回路はシステム設計から製造・検査まで、殆ど全ては日本によって行われた。

最終写真：信号ケーブルと回路ボード

チェンバー用ASD回路ボード４種類のＡＳＩＣの設計・

製造

ATLAS端部ミューオントリガーシステム　（２）　電子回路

→→→ 　佐々木氏による講演

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2112 台モジュールはイギリスで円筒状に組み上げられた。自動マウントロボットは KEK 製。

ATLASシリコン半導体飛跡検出器

シリコンセンサーの位置合わせ顕微鏡装置 (KEK で開発 )

日本は 980 台 (40%) のシリコン検出器モジュールの製造・検査をした。 KEK の組立治具を用いて

内部検出器に組込成功→→→ 　海野氏による講演

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ATLAS用 24chTDC は日本で発案・設計・製造・検査

された。

ATLAS MDT に取り付けられたチップ

アトラスのみならず、 H1 ・ Phenix, ・D0 ・ K2K などの HE 実験やロケットに搭載された観測機器に使われた。

delay

clock

data

delay delay

ATLAS ミューオン飛跡検出器用 TDCチップ

TDC: Time-to-Digital Conversion

SSC 計画 R&D の中から生まれた CMOSメモリー→ TDC のアイデア（大杉・新井による、特

許）

→→→ 　佐々木氏による講演を参照

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ATLASからの生データ量は

ＬＨＣデータ解析のための計算機技術の進歩

PB/year 4s/yearevents/s MB/event 7102002

となり、実験データを世界に分散した計算機資源をグリッドでつなげて処理する。

CNAF PICLyon

GridKA

RAL

BNL

TRIUMFNIKHEF

ICEPP

CERNTier-0

Tier-2 centers

Alice

ATLAS

CMS

LHCb

Tier-3desktop

FNAL

Nordic

CERN

Tier-1 centers

LCGによるLHC実験のデータ解析

→→→ 　上田氏による講演

シミュレーションツール　Geant4

CERN と日本が中心になって 1990年代後半に LHC 実験のために開発し成功した。 C++ オブジェクト指向技術による。医学や宇宙など他分野での利用も進んでいる。 →→→ 　浅井氏による講演

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2009 2011 2013 2015 2017 2019

ＬＨＣアップグレード

→→→ 　 Zimmermann 氏と海野氏による講演

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素粒子実験領域，実験核物理領域合同シンポジウム

LHC First Collision に向けた実験準備

• Introduction 近藤敬比古　（KEK）

• LHC status and its future upgrade plan Frank Zimmermann (CERN)

• ATLAS Muon System の準備状況石野雅也　（東京大理 ICEPP）

• ATLAS用エレクトロニクス /TDAQ の開発 佐々木修　（KEK）

• ATLAS Inner Detector の準備状況およびアップグレード　 海野義信　（KEK）

• ATLASコンピューティングとグリッド 上田郁夫　（東京大 ICEPP） • ALICE 実験準備状況 志垣賢太　（広島大理）　• Geant4 の現状と他分野への応用 浅井　慎　（SLAC）