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

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1 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 表紙 2008年3月23日 　近藤敬比古(KEK) 1

2 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。 5s 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。 2

3 L H C 計 画 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ﾃｽﾗの超伝導双極電磁石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・SUSＹなどの探索） ・アリス(ALICE,重イオン物理） ・LHCb（B物理）　 周長27kmのLHCﾄﾝﾈﾙと４つの実験装置。 LHC計画概要 : 全超伝導電磁石約1700台が設置。 : 超伝導電磁石の接続が完了。 →→→アリス実験については志垣氏の講演 3

4 L H C 加 速 器 LHC計画概要 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。 4

5 日本によるLHC加速器建設協力 LHC計画概要 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）。 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。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 5

6 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 6

7 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。
L=103４cm-2s-1での頻度 陽子衝突頻度: 1 GHz b quark: ~10 MHz W boson: 1 kHz S/N ~10-12 Top pair　: 10 Hz 14TeV陽子陽子衝突での生成断面積 500GeV SUSY: 0.5 Hz 200GeV H→4 leptons: 　　　　 Hz 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。 粒子の質量 7

8 pp実験の放射線レベルの概算 h (rapidity) 検出器要素 dS r(cm) q P P 衝突点
同じ放射線レベル r(cm) q P P h (rapidity) 衝突点 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。 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。

9 LHC実験では放射線レベルが非常に高い !! L=1034 cm-2s-1での１年分の 放射線レベル
液体アルゴンカロリメター60kRad, 1.5x1013neq/cm2 L=1034 cm-2s-1での１年分の 放射線レベル ピクセル検出器 3.4MRad, 6x1014neq/cm2 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 ATLASの中央部断面図 ストロー飛跡検出器 0.3MRad, 6x1012neq/cm2 Max. rate ~ 15 MHz →　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。 →→→　海野氏と佐々木氏による講演を参照 9

10 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。
・ 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。 日本による担当部分 端部ミュオントリガー システム 　超伝導ソレノイド シリコン半導体 飛跡検出器 ミューオン飛跡検出器用TDCチップ 10

11 ATLAS超伝導ソレノイド LHC計画概要 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。 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。 11

12 ATLAS端部ミューオントリガーシステム （１） チェンバー
KEKでTGCチェンバー1200台を製造（ ) 宇宙線テスト（神戸大） 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 ( ） →→→　石野氏による講演 12

13 ATLAS端部ミューオントリガーシステム （２） 電子回路
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。 種々の回路ボード 全部で32万チャンネル分 LHC計画概要 チェンバー用 ASD回路ボード ４種類のＡＳＩＣの設計・製造 最終写真：信号ケーブルと回路ボード →→→　佐々木氏による講演 13

14 ATLASシリコン半導体飛跡検出器 →→→ 海野氏による講演 シリコンセンサーの位置合わせ顕微鏡装置 (KEKで開発)
LHC計画概要 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 14

15 ATLAS ミューオン飛跡検出器用TDCチップ
TDC: Time-to-Digital Conversion delay clock data 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） ATLAS用24chTDCは日本で発案・設計・製造・検査された。 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。 →→→　佐々木氏による講演を参照 ATLAS MDTに取り付けられたチップ

16 ＬＨＣデータ解析のための計算機技術の進歩
ATLASからの生データ量は 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。 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。 →→→　上田氏による講演 →→→　浅井氏による講演

17 ＬＨＣアップグレード →→→　Zimmermann氏と海野氏による講演

18 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） 18