ATLAS 実験ミューオントリガーシステムのビームテスト及びシミュレーションによる総合評

価

東京大学　理学系研究科　物理学専攻小林富雄研究室　修士２年　片岡洋介

平成１５年度　修士学位論文

内容• LHC 計画と ATLAS 実験• TGC （ Thin Gap Chamber ）システム• TGC エレクトロニクスのビームテスト• TGC トリガーシミュレーション• まとめ

LHC 計画CERN において建設中の　　　　　陽子陽子衝突型加速器　 ２００７年運転開始予定

　周長：　２７ｋｍ　重心系衝突エネルギー： 14TeV

　バンチ衝突 : 40.08MHz

LHC の物理　　 Higgs 粒子探索　～ 1TeV

　　超対称性粒子探索 ～ TeV

　　トップクオーク、ボトムクオークの精密測定

　

ATLAS 検出器長さ　 44m, 直径 22m, 重さ 7000t

ATLAS のトリガーシステム

高頻度のバンチ衝突による大量のデータから興味あるイベントを選別

３段階のトリガーシステム　　 40.08MHz100Hz

LVL1 トリガーの役割　フロントエンドからのデータ読み出し　トリガー領域 RoI(Region of Interest)

TGC(ThinGapChamber) はエンドキャップの LVL1 ミューオントリガー検出器

TGC ミューオントリガーシステム

TGC(ThinGapChamber) 検出器　　 Multi Wire Chamber　　ワイヤー、ストリップの 2 次元読み

出し　　タイムジッターは約 25ns

TGC エレクトロニクス　バンチ識別　トリガー情報 ( ｐ T 、 RoI) の出力

トリガー処理の方法M1(Triplet), M2(Doublet), M3(Doublet)

コインシデンス条件　　 Wire Triplet(M1) 　　 　 2 層 /3

層　　 Wire Doublet(M2,M3) 　 3 層 /4 層 Strip Triplet(M1) 1 層 /2 層　　 Strip Doublet(M2,M3) 3 層 /4 層

Triplet Doublet 間の位置の差　 R 、　 　 pT 判定

TGC エレクトロニクス

• PP(Patch Panel) … シグナルをクロックに同期化• SLB(Slave Board) …Triplet(3 層 ) 、 Doublet(4 層 ) のコインシデンス処理• HPT(HighPt Board) … Triplet 、 Doublet 間のコインシデンス処理• SL(Sector Logic) … ワイヤー、ストリップのコインシデンス処理 (pT 判

定 )

LVL1 トリガー信号により、 SLBSSW(StarSwitch)ROD(ReadOutDriver)

　　　　の経路で前後合わせて 3 バンチの読み出し

ビームテストによる総合評価フロントエンドの TGC エレクトロニクスの開発はほぼ終了

ビームテストの目的• TGC エレクトロニクスの総合試験　　読み出し部、トリガー部の試験とタイミングスキームの確認• TGC チェンバーとの接続試験• トリガーシステム (MuonCTPI) との統合試験

CERN, SPS の H8 実験場でミューオンビームを用いて　　 TGC システムのビームテストを行った。

セットアップ

• ミューオンビーム　　バンチ間隔　 25ns 　バンチ幅 4ns

• トリガー　 20m 上流の 10cm*10cm シンチ 2 枚• TGC チェンバー 3 ステーション (M1,M2,M3)

• TGC エレクトロニクス　　全システム

読み出し部の検証• ROD(ReadOutDriver) によるデータ整合性の検証• ビームプロファイルとチェンバー efficiency の確認

ROD によるデータの整合性チェック• フレームエラー検査　　 SSW のサムチェック　　フレーム構造• ID エラー検査　　 Bunch ID の整合性　　 Event ID の連続性

全 3*105event でエラーなし

プロファイル及び efficiency

シンチトリガーでチェンバーのプロファイルと efficiency を確認multiplicity=1 のプロファイルは、ほぼシンチの大きさをもつ。

• TGC は 99% を超える efficiency をもつ。• 一部の efficiency は 95% 前後　 この efficiency の低下を検証する

サポートによる efficiency の低下

• M1( １層、２層 ) 、 M2 と M3(1 層 ) でワイヤーサポートがかかる• 他の層でもボタンサポートがかかる

ワイヤーサポートとボタンサポートの面積は　　それぞれ、主要 3ch に対して約 5% 、約 0.3%

　　 efficiency の低下はサポートの inefficiency

7mm 幅のワイヤーサポート、直径 7mm のボタンサポートでワイヤーとカソード面の間隔を支持 ( サポートは層毎にずらされる )

T8 　 M3 　 1 層 T8 　 M3 　 2 層

読み出しデータのモニター及び検証

イベントディスプレイの特徴• オンラインでヒットマップ、トリガー情報を表示• TGC トリガーシミュレーションを内臓 ( ヒットマップからトリガー出力を再現 )

オンラインでトリガーの verification を行う

実験中、ビームやエレクトロニクスの状態の迅速な把握のためイベントディスプレイを開発

タイミングスキームの検証

各モジュールの入力に遅延を実装PP … delay 、 gate の設定　　クロックへの同期化（バンチ識別）SLB 、 HPT 、 SL … delay の設定　　入力の位相差を吸収 (0.5 クロック単位 )

3 バンチの読み出しデータの比較により、 delay 、 gate を最適化する　　タイムジッター 20ns 強とバンチ幅 4ns の分布を正確にとらえる

値に設定

PP 　 delay スキャン

gate の始めをジッターの始めに一致させるprevious バンチにヒットがなくなる値に設定 M1=11.7ns 、 M2=15.6ns 、 M3=15.6ns

M1,M2 間の差は TOF( 及びケーブル遅延 ) により発生

PP 　 gate スキャン

gate の終わりがジッターをカバー efficiency の最大値に設定

　 gate 幅　 30 ns で efficiency が 最大値 99% をとる。

以上のタイミングスキームで正確にバンチ識別をすることを確認

トリガー部の検証TGC トリガーシミュレーターによる検証

読み出されたヒットマップ　　 　 TGC トリガーシミュレーター SlaveBoard のトリガー出力　　　　 SectorLogic のトリガー出力を再現

TGC エレクトロニクスから読み出した　トリガー出力と比較

シンチトリガー、 TGC トリガーstand alone run 、 combined run を通して全数一致 (3*105eve

nt)

トリガー efficiency の検証

Triplet のコインシデンス (2/3,1/2) 　 99.7% 以上Doublet のコインシデンス (3/4) 　 97.0 %

M2,M3 共に M3 用 Doublet を使用したため、　　サポートの inefficiency が重なった (2/4) 。　　　本来サポート位置はずれる。　　アトラスでは efficiency の低下は発生しない。

SectorLogic のコインシデンス (Triplet と Doublet 、 Wire と Strip) 　 96.7%

　　 Doublet の efficiency の低下に対応

トリガーシステムとの統合TGC SectorLogic と MuonCTPI の接続 SectorLogic 　 　 TGC 読み出し部 (ROD)

MuonCTPI MuonCTPI ROD

比較、実際に pT 、 RoI が正しく転送されたことを全数確認。 (3*105event)

実際に TGC によるトリガーの RUN を行った。 (8*104event)

シミュレーションによる総合評価

１．トリガースキームの検証　 TGC 全システムを詳細にシミュレーション２．ハードウェアの検証　モジュール毎、又はエレキを通しての比較３３ R, 値の評価　 pT との対応付け（ R-Phi マップ）

TGC エレクトロニクスの詳細なシミュレーター　　　を開発し、 TGC システムを検証した。

TGC トリガーシミュレーション• ATLAS トリガーシミュレーションの枠組みの中で開発　　 各パートの動作検証後、 LVL1,LVL2,Event Filter の統合

TGC シミュレーションの構成

• Full simulation(Geant)

　　　 相互作用、物質、磁場• TGC digitizer

　　　検出器、チャンネルの geometry• TGC trigger simulator

　　　 TGC エレクトロニクス

TGC digitizer

• TGC チェンバー (3700 枚 )

　形状、位置を管理• チャンネル (32 万 )

形状、位置、 numbering を管理 ヒット位置をチャンネルへ変換

＊次期 digitizer• サポートの inefficiency

TGC simulator全 TGC エレクトロニクスを詳細に再

現• 32 万のチャンネル• 数万のモジュールで構成される。

• モジュール内のロジック• チャンネル配線• モジュール結線も実機と同等

TGC のシミュレーターは、ハードウェアの検証に使用可能 相互に高い信頼性

例１． PP 配線

例 2． SLB matrix

full simulation による検証• Geant3 をベースに ATLAS の磁場、物質、 geometry を導入

• 各 pT 値をもつシングルミューオンを生成 トリガーシミュレーション

　 （多重散乱等の相互作用を含む）

SectorLogic の位置情報の単位 subsector(RoI) 毎に R 、値の確認

　

R, 値 (Forward 領域 )

• pT によって R が分離　 pT 判定能力をもつ• +-15 のウィンドウで pT=6GeVまでカバー

• は変化が少ない。　

R

numbering

R 値 (Endcap 領域 )

• pT分解能をもつ

• 　３３３３３３３３　 subsector 12, 23 周辺　　 1/8 周期で交互に磁場の強弱 一部で pT の分解能が低下 一部で 6GeV のミューオンが　　 window を越える

　

積分磁場強度エンドキャップトロイダルからバレルトロイダルまでを示す

３ (Endcap 領域 )Endcap は中央で大きな値1/8 周期の激しい変化（磁場構造による）　　　　　　 z=10.5m での磁束

　

• window に入る efficiency を示す。

R-Phi マップSectorLogic は、 R, と pT の関係を示すR-Rhi マップにより 6 段階の pT 判定を行う。

R-Phi マップは、 subsector 毎に作成し、位置の依存性を吸収する。　全 17356 の subsector の内、 forward1点を例にとる

1. 6GeV, 8GeV,10GeV,15GeV,20GeV,40GeV(+100GeV) の R- ３３３３３３３　 ３３３３３３３３３３３ pT 値をそのセルの pT 値とする。3. 各 pT の隙間は、低い pT閾値に割り当てる補正を行う ( 周囲 8セル中 4セルに pT が割り当てられていた場合、最も pT の低い値で補間する。 )

pT 判定能力作成した R-Phi マップが SectorLogic に実装されたときの pT 判定能力を

検証する

pT=5 ～ 100GeV のミューオンを生成、　各閾値を越える efficiency をプロット(5,6,7,8,9,10,12,15,17,20,30,40,100GeV)

efficiency 0.1 ～ 0.9 に　遷移する pT 幅

まとめビームテストによる評価• TGC エレクトロニクスのトリガー部、読み出し部の正常な動作を確

認した。• 25ns ビームを正確にバンチ識別し、タイミングスキームを実証した。• MuonCTPI と接続し、 TGC による LVL1 トリガーの出力を確認した。従って、 TGC システムは、 LVL1 の要求するエレクトロニクスを備え

ていることが分かった。

シミュレーションによる評価• TGC の全領域で、 6GeV 以上のミューオンをほぼ確実にトリガーす

ることを確認した。従って、 TGC システムは、 LVL1 の要求する閾値 (6GeV 以上 ) によるトリガーが可能である。

• また、 R-Phi マップの作成により、 pT=6 ～ 20GeV の間で、 1 ～ 5GeV 幅の分解能を持つことを確認した。

今後の展望

• TGC エレクトロニクスのファイナルデザインを確定し、量産を進める。

• さらに大規模な TGC システムを構築し、テストする。

• 約 2万の subsector で、詳細なシミュレーションを行う。• ATLAS のトリガー研究に寄与する。