修士論文発表会 大型ハドロン加速器実験用 m粒子検出器の動作検証

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1 修士論文発表会 大型ハドロン加速器実験用 m粒子検出器の動作検証
名古屋大学大学院理学研究科 高エネルギー物理学研究室(N研) 修士二年 高橋 悠太

2 イントロダクション (1) LHC-ATLAS実験
ヒッグス粒子  質量起源に関わる、標準理論で唯一の未発見粒子 　　　　　　　　　卓越した発見能力を持つ実験 ： LHC-ATLAS実験 f22m 衝突周期25ns p p 7TeV 陽子 √s = 14TeV 7TeV 陽子 L = 27km LHC加速器 44m 探索ストラテジー ヒッグス粒子発生 S/N = 1 / 1010 選択的に取り出すためにトリガーが必要不可欠 小さなものを見るために、こんなに巨大な望遠鏡が必要だ！ 計算できるようにしておくこと, 時計まわり、反時計まわり、スイスジュネーブ郊外、現在建設中 現在知られている素粒子現象に対して非常に高い予言能力を持つ理論で、ヒッグス粒子の崩壊様式に対しても 現在知られている素粒子現象を精度よく記述する理論で、ヒッグス粒子の生成崩壊様式に対しても厳密に予言しています。この ヒッグス粒子起源の崩壊粒子中、トリガーに適した粒子 μ粒子：物質透過力が強く、飛跡が鮮明  特徴的な事象 　　ヒッグス起源のμ粒子高運動量 = 背景事象の低減 未踏の高エネルギー(14TeV) + 高運動量 μ 粒子トリガーがヒッグス探索の鍵

3 イントロダクション(2) μ粒子トリガー検出器
飛跡検出器 電磁カロリメータ ハドロンカロリメータ μ粒子トリガー検出器 ソレノイドマグネット ATLAS検出器 断面図 バレル部 エンドキャップ部 m p n n e μ粒子トリガー検出器 μ粒子 飛来率 バレル部 高抵抗チェンバー 40% エンドキャップ部 薄ギャップチェンバー 60% g どこをくりぬいているのかを言っておくこと 薄ギャップチェンバー[TGC ( Thin Gap Chamber ) ] の動作研究を行う

4 イントロダクション(3)TGC検出器 TGCの役割  Pt > 6GeV/cのμ粒子発生イベントに対してトリガーを発行
R f ホイール f22m 動作領域 6000m2 読出し 32万 構成 MWPC 3400枚 配置 3ホイール/サイド (TGC1,TGC2,TGC3) ガス増幅率106 限定的比例領域 タイムジッター< 25ns CO2 + n-pentane μ 　衝突で生じるm粒子の60%が飛来, TGC(1.0 < h < 2.4), 親粒子として！ トロイド磁場 3/4 coin 2/3 coin 衝突点 TGC1 TGC2 TGC3 TGCに求められる性能全領域に亘って動作、99%以上の検出効率

5 本研究の目的とTGCの実験段階 実験開始(2008.8) ヒッグス探索 動作検証 欠損領域、検出効率 本研究の目的
本実験開始(2008.8)にむけて確実に検出器を動作させる 可能な限り、可能な段階で動作確認、および動作検証を行う 構成チェンバー 制作・組み立て 地上動作試験 地下実験ホールにおける データ取得環境の確立 動作検証　　　欠損領域、検出効率 実験開始(2008.8)　　　ヒッグス探索

6 地上動作試験(0) TGCエレクトロニクス トリガー回路：粒子通過後2.5μsの間にトリガー判定 ( Pt > 6GeV/c )
読出し回路：トリガーされたデータの読出し PP SLB Buffer データ保持(~3.2μs) コインシデンス ASD 読出し LHCクロック(40MHz) TTC μ HV PSボード エレキハット PSボード 10m 100m ASD PP(Patch Panel) ASIC LHCクロック(40MHz)に同期 SLB(SLave Board) ASIC ①トリガー発行までbufferにデータ保持 ②コインシデンス回路 ASD(Amplifier Shaper Discriminator) アナログデジタル TTC(Trigger&Timing Control) トリガー配布

7 地上動作試験(1) 測定項目 テストパルス、宇宙線試験の手法を確立 チェンバー応答のテスト チェンバー以降のテスト HV TTC
SLB LHCクロック(40MHz) μ Buffer 読出し ASD データ保持(~3.2μs) HV PP コインシデンス TTC ①ケーブル接続 (ASDPSボード) ②エレクトロニクスの動作確認 　　・　リードアウト ・　トリガー ③チェンバーの動作確認 ( ガス・欠損・HV ) テストパルス 宇宙線 テストパルス、宇宙線試験の手法を確立 T2 T5 T6 T7 T8 T9 Strip (φ) Wire (R) 試験単位 1/12セクター チェンバー応答のテスト チェンバー以降のテスト

8 地上動作試験(2) テストパルス試験  テストパルスでスピーディに基本的動作の確認 [セットアップ] HV TTC 読出し
約100Hzで トリガー発行 μ SLB LHCクロック(40MHz) Buffer 読出し ASD データ保持(~3.2μs) PP HV コインシデンス TTC テストパルス発行 # of event # of event # of event 16チャンネル (ASD1つ分) チャンネル チャンネル チャンネル 正常な時 (欠損チャンネルなし) 1chの欠損チャンネルあり (接続不良) ASDPSボード間の ケーブル接続ミス  テストパルスでスピーディに基本的動作の確認

9 地上動作試験(3) 宇宙線試験 [セットアップ (TGC3の場合) ] TTC ①欠損チャンネルの発見 ②HVケーブル線の誤接続の発見
宇宙線のトリガーレート LHCクロック(40MHz) SLB μ Buffer 読出し セルフトリガー ASD データ保持(~3.2μs) HV ガス PP コインシデンス TTC ①欠損チャンネルの発見 ②HVケーブル線の誤接続の発見 1層目 (HV on) 1層目 (HV on) AND トリガー トリガー OR 2層目 (HV on) 2層目 (HV off) コインシデンスあり & 両層HV on まずは2/2にすることで、HVご接続を洗い出し、その後により厳しい条件を課して、欠損、および、トリガー回路を示す。 コインシデンスなし & 片層HV on データ収集環境(地上) 値 使用ガス CO2 100% HV 2800V

10 地上動作試験(4) 宇宙線試験結果 確認項目 ①欠損箇所 HV印加OK 配線OK 読出し回路OK
T5 T6 T7 T8 T9 Wire Strip Chamber境界 Wire ch Strip ch 典型的なヒット分布 確認項目 ①欠損箇所 HV印加OK 配線OK 読出し回路OK ②妥当なhit rate(~20Hz)、右肩上がりの分布 スケールするとどこも一様 ガスリークなし トリガー回路宇宙線を正しく捕獲OK T2 T5 T6 T7 T8 T9 strip Wire Chamber境界 面積でスケールすると、どの領域でも一様に宇宙線分布が得られることを強調

11 地上動作試験(5) 宇宙線試験結果 コインシデンスあり, HV 2800V T5 T7 T8 T9 T6 # of event
欠けチャンネル発見 Wire ch コインシデンスなし, 1層目だけHV 2800V 正しいprofile Wire ch # of event TGC3, 1層目 HV 2800V TGC3,2層目, HV off TGC3, 1層目 HV 2800V # of event Wire ch TGC3,2層目, HV off Chamber単位でswap HV線のswap発見！ # of event Wire ch T5 T6 T7 T8 T9

12 全て修復！ 動作保証(6) 地上動作試験の成果 私が宇宙線試験を担当したTGC3に関して、発見した故障個所 A side, TGC3
HV線の誤接続 チェンバー不具合 PSボード不具合 A side, TGC3 4/242 2/242枚 7/198枚 C-side, TGC3 4/242枚 17/198枚 ALL 8/484 6/484 24/396 欠陥箇所：全体の6% (6608チャンネル) 全て修復！ 欠損チャンネル 欠損チャンネル A side 15/154k C-side 18/154k ALL 33/320k 全てのエレクトロニクスの正常動作に成功 対処しなければ欠損になっていた6%の機能を回復 欠損チャンネルを33 / 320k(ch) = 0.01% に抑制 TGCとして十分に動作可能 ここに挙げた33チャンネルはどうしようも対処できない、ということを述べる。 本当は6608channelあったけれど、33chに抑えた！

13 地下におけるデータ取得環境の確立 データ取得環境の確立 500枚以上のモジュール (~100%) 2000本以上のファイバー (~100%)
短期間で一部の動作に成功、データ取得環境を整えた A C C09/A10  TGC1,2,3 その他  TGC1 稼働領域わかりにくい 焦点 地下への実装

14 TGCの実験段階 実験開始(2008.8) ヒッグス探索 動作検証 欠損領域・検出効率 地下実験ホールにおける データ取得環境の確立
構成チェンバー 制作・組み立て 地上動作試験 地下実験ホールにおける データ取得環境の確立 動作検証　　　欠損領域・検出効率 実験開始(2008.8)　　　ヒッグス探索

15 動作検証項目 1. 欠損チャンネルの把握 2. 検出効率 地上動作試験との整合性 新たに生じた欠損チャンネルの把握
現環境下(CO2 100%)で予想される効率か 本実験で十分な(99%以上)検出効率が得られるか データ収集環境(地下) 現在 本実験 HV 2800V 2900V ガス CO2 100% CO2 + n-pentane (55:45) 閾値電圧 100mV 要調整 稼働領域わかりにくい 焦点

16 動作検証(1) 欠損チャンネルの把握 私が地上動作試験を行った領域(C09 / A10-TGC3)に関して検証 C A 欠損 チャンネル数
C09/C10/C11 A09/A10/A11 欠損 チャンネル数 地上 地下 C09 0 / 3336 A10 1 / 3336 2 / 3336  1：既知、1：新 OK # of event T5 T6 T7 T8 T9 地上 Consistent! 地下 Strip channel

17 動作検証(2) 欠損チャンネルの把握 地上から地下への輸送過程で生じたと考えられる 地下にて2/6672 = 0.03% の欠損を把握
　新しく発見した欠損チャンネル # of event T5 T6 T7 T8 T9 地上 地下 地上から地下への輸送過程で生じたと考えられる wire channel 地下における動作検証 地下にて2/6672 = 0.03% の欠損を把握 十分微小であり、TGCの性能に及ぼす影響なし

18 動作検証(3) 検出効率 5~10% TGC1(3層構造)の2層目における検出効率を評価
検出効率 ( L2 ) = #(L1& L2 & L3) / #(L1 & L3) C A C09/C10/C11 A09/A10/A11 L1&L3 L1&L2&L3 検出効率 A09 379 41 10.8±1.6 A11 393 44 11.1±1.6 C10 357 17 4.7±1.1 C11 293 33 11.3±1.8 ? L1 L2 L3 ? L1 L2 L3 μ 検出効率 = TGCのメインパラメータ = ヒッグス探索に直に効く なぜ、赤の分布が1にピークを持つかをしっかりと説明できるようになっておくこと 検出効率×宇宙線の角度分布がかかっている！ 5~10%

19 動作検証(4) 検出効率 検出電荷量(pC) 0.08pC @ 2.8kV (CO2 100%) 同じ検出電荷量を得るには、
現在のデータ取得環境 HV ： 2800V ガス ： CO2 100% 閾値電圧 ： 100mV 検出電荷量(pC) CO2 : n-pentane 55 : 45 CO2 100% ①現環境下で妥当な検出効率か? 2.8kV (CO2 100%) 同じ検出電荷量を得るには、 2.6kV (CO2 + n-pentane = 55:45) 　印加電圧 (kV) 閾値電圧100mVでは、  5~10 %の 検出効率に相当妥当 2.3 2.5 2.7 2.9 3.1 3.3 3.5 3.7 検出効率(%) Supplied voltage (kV) 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.0 3.1 3.2 ②本実験で十分な効率が得られるか? Vth=100mV CO2+nペンタン =55:45 本番2.9kV印加時には100%近い 検出効率10%は現環境下で妥当 本番2.9kV印加時では十分な 検出効率が見込める 　　　印加電圧 (kV)

20 まとめ 動作確認 動作検証 TGCを現時点で確実に動作させ、 本実験で使用可能なシステムに仕上げた
地上にて系統的動作試験を実施 テストパルス、宇宙線試験手法を考案 対処しなければ欠損になっていた6%の機能を改善 欠損チャンネルを全領域 (6000m2)で33/320,000チャンネル( 0.01% )に抑制 動作検証 本番同様のセットアップを組み、動作検証に初めて着手 地下移設後の欠損チャンネルの把握(0.03%) 検出効率 5 ~ 10% (CO2 100% 使用時) 現環境下で妥当過去の実験結果との整合性を確認 本実験では十分な検出効率が期待できる 実験ホールにて500枚以上のモジュール、2000本以上のファイバー実装 TGCを現時点で確実に動作させ、 本実験で使用可能なシステムに仕上げた

21 Back up

22 μ粒子トリガーの威力 高エネルギーμ粒子 ヒッグス由来 = Z / W粒子を含む μ粒子を効率的に選択 背景事象との区別を可能とする

23 標高差の補正 標高差の補正： 印加電圧 v.s. 検出電荷量 KEK(32m), CERN(421m)
印加電圧 v.s. 検出効率 (CO2 + n-pentane) 2.9kV(KEK) = 2.8kV(CERN) 検出効率10%は現環境下で妥当  本番2.9kV印加時で100%可能

24 重心系エネルギー P1 = (E1/c, p1,0,0) P2 = (E2/c,p2,0,0) Sqrt(s) = 2sqrt(E1E2)
E1 = x1P1, E2 = x2P2 sqrt(s) = 2sqrt(x1x2p1p2) sqrt(s) ～ 2Esqrt(x1x2)

25 Some figures

26 トリガー効率と検出効率の関係 検出効率εからのみ推定されるトリガー効率は、 仮にε=0.98としても、99%が達成できる。
これに、動作率( = 99.99%)、不感領域がかかる。 主に、不感領域による制限を受け 約93%~95%まで落ちる。 high-Pt trigger eff. MU 10 MU20 MU40 efficiency

27 動作検証(3) 検出効率  約10% 検出効率 ( L2 ) = #(L1& L2 & L3) / #(L1 & L3) Δch μ
Dch(L1-L3) ? L1 L2 L3 ? L1&L3でトリガーがかかった事象 L1&L2&L3にヒットがあった事象 L1 L2 L3 検出効率 = TGCのメインパラメータ = ヒッグス探索に直に効く なぜ、赤の分布が1にピークを持つかをしっかりと説明できるようになっておくこと 検出効率×宇宙線の角度分布がかかっている！ ※Δch(L1-L3)=0,1のみ 論理的にトリガー可能 黒に対する赤のヒストグラムで検出効率を算出 A09 A11 C10 C11 検出効率 10.8±1.6 11.1±1.6 4.7±1.1 11.3±1.8  約10%

28 カロリメータ どの領域においても10X程度のinteraction length で十分に阻止可能

29 使用チェンバー

30 TGCの内部構造

31 ATLAS地下

32 SLBバッファの読み出し 3 neighboring BC data was taken from SLB buffer SLB
トリガー 3 neighboring BC data was taken from SLB buffer  previous, current, next previous current next Read out

33 　TGCの配置

34 μ粒子トリガーの威力

35 宇宙線のトリガーレート 上空から見た有効面積は 2.5cm * 10m = 2.5m^2 Δch μ

36 閾値電圧適正化

37 ウインドウサイズ 5~20cm程度