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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

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). 1. 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。

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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

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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) 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。 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。 →→→アリス実験については志垣氏の講演 3

  4. L H C 加 速 器 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 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. 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: 0.0002 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 検出器要素 dS 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 !! 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 ストロー飛跡検出器 0.3MRad, 6x1012neq/cm2 Max. rate ~ 15 MHz ATLASの中央部断面図 →　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. 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 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。 日本による担当部分 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 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（2000-2004) 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 (2006-2007） →→→　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 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 シリコンセンサーの位置合わせ顕微鏡装置 (KEKで開発) 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。 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. data clock delay 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） 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 2009 2011 2013 2015 2017 2019 →→→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

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