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ATLAS 実験用 TGC 検査設備のための データ収集・解析ソフトウェアの開発

ATLAS 実験用 TGC 検査設備のための データ収集・解析ソフトウェアの開発. 物理学専攻（粒子物理学研究室） 中畝　佑輔 平成１４年２月２０日. １． ATLAS 実験 ２．ＴＧＣ（ Thin Gap Chamber） ３．検査設備 ４． データ収集（ DAQ） システムの設計・開発 ５．まとめ. ＬＨＣ加速器. 2006年稼動 スイスの CERN にて建設 大型陽子・陽子衝突型加速器 周長27 km 重心系 14 TeV の世界最高エネルギー 25ns のバンチ（粒子束）衝突間隔 10 34 cm -2 s -1 の高ルミノシティ（ビーム輝度）.

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ATLAS 実験用 TGC 検査設備のための データ収集・解析ソフトウェアの開発

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  1. ATLAS実験用TGC検査設備のためのデータ収集・解析ソフトウェアの開発ATLAS実験用TGC検査設備のためのデータ収集・解析ソフトウェアの開発 物理学専攻（粒子物理学研究室） 中畝　佑輔 平成１４年２月２０日 １．ATLAS実験 ２．ＴＧＣ（Thin Gap Chamber） ３．検査設備 ４．データ収集（DAQ）システムの設計・開発 ５．まとめ

  2. ＬＨＣ加速器 • 2006年稼動 • スイスのCERNにて建設 • 大型陽子・陽子衝突型加速器 • 周長27km • 重心系14TeVの世界最高エネルギー • 25nsのバンチ（粒子束）衝突間隔 • 1034 cm-2 s-1の高ルミノシティ（ビーム輝度） TeVエネルギー領域の 素粒子物理学の研究が可能。

  3. ＡＴＬＡＳ検出器 • ＬＨＣ加速器に設置 • 直径22m、長さ44m、総重量7000t • 内部飛跡検出器 • カロリーメータ（電磁、ハドロン） • ミューオンスペクトロメータ 　　（トリガー発生用、ミューオン飛跡精密測定用） 22m 44m

  4. ＡＴＬＡＳ実験で目指す物理 • SUSY（超対称性粒子）の探索 • Higgs粒子の探索　．．．． 　　　　標準模型で予言されている素粒子の中で 　　　　唯一発見されていない粒子 • Higgs粒子 • ATLAS検出器では100GeV～1TeV探索可能 ミューオンが検出の鍵となる！！！

  5. ミューオントリガー検出器 • バレル部：RPC（Resistive Plate Chamber） • エンドキャップ部：TGC（Thin Gap Chamber） ATLAS日本グループは ミューオントリガー検出器である TGCの製作を担当している。

  6. TGC (Thin Gap Chamber) • ＜TGCへの要求＞ • 時間分解能 ～25ns • 検出効率 99%以上 • ハイレート耐性 1kHz/cm2 ＜断面図＞ • ＜TGCの基本パラメータ＞ • アノードワイヤー間隔　　　　　　1.8 mm • ワイヤー・カソード間隔　　　　　1.4 mm • 印加電圧　　　　　　　　　　　　　　3.1kV • 充填ガス　　　　　　CO2 + n-Pentane( 55：45 ) • ガスゲイン　　　　　　　　　　　　　～106

  7. TGCの構造 大きさ　　1.5m×1.3m ギャップ　　　　1.4mm ↓ ギャップを100μm以下 　　　　　の精度で保つ 　↓ 　　ワイヤーサポート 　　ボタン型サポート ↓ この部分は不感領域 TGCは2層、3層を１単位。 2層⇒Doublet 3層⇒Triplet ⇒　強度、平面性を保つ TGC

  8. ＴＧＣの量産と検査 • 高エネルギー研究機構（KEK）にて Doublet：384台　Triplet：96台　計480台 　　が量産される。 • 量産されたTGCがATLAS実験で要求される性能を持っているか検査することは必要不可欠！ • TGCは神戸大学の専用の検査設備に運ばれ、 　　検査に合格したものだけがCERNに輸送される。 • 約2m2の大きさのTGCを480台、3年に渡って検査するため、大規模な設備とシステムが必要。そこで用いられる データ収集（DAQ：Data Acqusition）システム もまた、大規模なものが必要となり、高い処理能力が要求され、その性能が鍵となる。

  9. 検査設備 • 検査項目 • ガスリークテスト • HVテスト • 宇宙線テスト ⇒　3週間で行う。 • ガスリークテスト • ガスリークがあると不純物の混入により検出効率の低下の恐れあり。 • n-Pentaneは有害、可燃性。 • TGCに60mmH2Oの圧力をかけて封じ込める。 　　⇒5分間で10mmH2O以上低下しなければ合格。 • HVテスト • 運搬等でのワイヤー切れがないか調べる。 • ハンダ面の汚れ、接着剤の漏れがあるとリーク電流大。 • TGCにCO2+n-Pentane（本番と同じガス）を流し、 　　3.3kVの高電圧を印加。 　　⇒印加できれば、リーク電流をモニタ。 　　⇒リーク電流が1μA以下であれば合格。

  10. 宇宙線テスト（１） • 宇宙線ミューオンを用いてTGCの検出効率、その一様性を測定。 • ワイヤー・ボタン型サポート以外に不感領域がないか調べる。 • TGCの信号のタイミングも測定。 • 2.5m×1.5m×2.6m • Scintillation Counter（上下各22本） • Drift Tube（上下ＸＹ各3層、計428本） • TGC 8台

  11. 宇宙線テスト（２） • Scintillation Counter • 全てのScintiの信号のORを上下で別々にとり、その上下のcoincidenceをとることで、トリガー信号を発生。 ⇒　トリガー頻度　～30Hz • Drift Tube • 宇宙線ミューオンが通過してから信号が到達するまでの時間（Drift時間）を測定し、Drift距離を決定する。 • 3層に俵積みにした1つの塊を、上下ＸＹに置くことで、3次元でTrackを決定する。 ＜検査基準＞ • Track上にTGCのヒットがあるかどうかで 検出効率を測定。（99%以上） • TGC全体に渡って測定するため、一様性の測定にもなる。 • TGCの信号の到達時間分布が25ns以内に収まっているかを測定。 これらの検出器、及びTGCからのデータを収集し、 記録、解析を行うシステム DAQシステム

  12. DAQシステムの基本方針 • 検査設備におけるDAQシステムの特徴 • 処理信号数が大きい。 （Sci:44ch DT:428ch TGC:1088ch 計1560ch） • データの処理量が大きい。（～400GB/year） • 長期（3年）に渡って検査を行う。 • データ収集と解析を同じペースで行う。 ⇒　DAQシステムには、 安定性、保守性、拡張性が要求。 ＜基本的な方針＞ • コンピュータにPCの採用（Linuxを搭載） • 優れたコストパフォーマンス • UNIX上で開発 • ハード・ソフトウェア共に制限が少ない • ネットワークに分散したシステム • 並列処理 • 処理能力向上 • 拡張性の向上

  13. DAQシステムの構成 • 検出器 • フロントエンド・エレクトロニクス • コンピュータ • その上で走らせるソフトウェア 検出器、フロントエンド・エレクトロニクス • データ収集用バスにVMEを採用。 • 高エネルギー業界、産業界で広く普及 • コンピュータとのデータ転送速度が速い • TMCモジュール　→　時間情報　 • SWINEモジュール　→　ヒット情報 VME VME

  14. コンピュータ環境 • コンピュータとしてPCを採用（Linux搭載） ⇒　高性能で汎用性のあるソフトウェア開発 • PCI-VME bus Adaptorを使用 ⇒　PCでVMEをコントロール • ネットワーク分散システム　（Fast Ethernet） ⇒　1台のPCが読み出すCH数減少　→　データ転送速度向上 ⇒　PCの数が増えるだけ処理能力向上

  15. 読み出しプロセス • 各PCにはデータの読み出しを担当するプロセスが1つ存在。 • 各プロセスは独立にデータを読み出す。 • 読み出しデータが1つのイベントであることを通知するために、Interrupt & I/O Register (IntReg)を用いて通信し、同期を取る。 • マスタープロセスと複数のスレーブプロセスから構成。 • NFSを利用したデータ転送。 ⇒　安定で、信頼性のあるデータ転送 NFS

  16. イベント・フィルタ • 解析の段階でDrift Tubeのデータを用いて宇宙線ミューオンのTrackingを行うが、Tracking不可能なイベントは不要。 • Drift Tubeのヒットパターンから大まかに判別できる。 • 解析に入る前にイベントのふるい落としを行う。 ⇒　効率的なデータの書き込みが可能 ⇒　ネットワークを通じたデータ転送、それ以降の処理の負担軽減 • イベント・フィルタの結果はIntRegを通じて全てのプロセスに伝えなければならない。 • イベント・フィルタなし　⇒　～ 400 GB / year • イベント・フィルタあり　⇒　～ 270 GB / year マスタープロセス →TMCにアクセス スレーブプロセス →SWINEにアクセス

  17. 読み出しプロセスのシーケンス • 　VMEへアクセスを行う部分 • 　Interrupt & I/O Registerを用いて通信を行う部分 • 　イベント・フィルタを行う部分 • 　NFSを利用したデータ転送を行う部分

  18. 解析プロセス • Event Building、Data Conversion • Event Display • Analysis Program • Tracking • Efficiency Map Display ＜特徴＞ • 読み出しプロセスと解析プロセスは独立。 • データの受け渡しはファイルを通じて行う。 • 各解析ソフトウェアも独立。 • 解析ソフトウェアの追加、変更が簡単 　　⇒　拡張性が高い

  19. Event Building、Data Conversion Configurationファイル ＜Drift Tube＞ RawData（バイナリ形式） 005c 　04ee 　　　　時間情報（TMC count） TMCのモジュールID、CH Data（アスキー形式） 0 1 1 10 1.05 935.2 時間（ns） ドリフト距離（mm） 　位置情報

  20. Event Display • ヒットの有無、 　Trackingの結果、 　個々のイベントの 　詳細を視覚的に 　捉えることが可能。 • Gtk+を 　　用いて開発。 • 拡大・縮小機能 • スクロールバー機能 • ボタン操作によるMulti Eventに対応 • イベントナンバー指定機能

  21. Analysis Program • Dataを読み込み解析を行う。 • PAWでヒストグラムを表示。 • TGCの検出効率の導出。 ＜Drift Tubeのヒット分布＞ ＜TGCワイヤー方向のヒット分布＞ CH

  22. Tracking • TGCの検出効率、一様性を測定する上で、重要。 • データを読み込み、Drift Tubeの位置情報、ドリフト距離から3次元的なTrackを決定する。 Drift Tubeの半径 ＝ 25mm Drift Tube 1 本あたりのResolution ～1.5 mm

  23. 解析プロセスまとめ • 全てのソフトウェアは、ファイル経由で動作 • 各ソフトウェアは疎結合で動作 　　⇒　保守性の向上 　　⇒　拡張性の向上

  24. まとめ ＜基本的な方針＞ • コンピュータにPCの採用 • ネットワークに分散したシステム ＜DAQシステムの構成＞ • VMEへのアクセス • ネットワークに分散した各読み出しプロセスの同期 • NFSを利用したデータ転送 • 解析ソフトウェア ＜ソフトウェアによる処理＞ • イベント・フィルタ • Event Building、Data Conversion 本検査設備で用いる データ収集システム、及び解析ソフトウェアは、 安定性、保守性、拡張性の高いものであり、 実際に動作することも確認できた。 DAQシステムはトリガー頻度150Hzまで、イベントの取りこぼしなく動作（検査設備では30Hz） この開発したDAQシステムは検査設備で 確実に動作することが保証された。 開発 program 全行数 ： ～12,000 行

  25. ＳＵＳＹ粒子 • 大統一理論 　　　1015GeV程度で3つの相互作用（電、弱、強）が統一される • 標準理論が大統一理論の低エネルギー領域の近似であるとすると、例えば、Higgsの質量に量子補正を加えると発散。 • この問題を解決するのが超対称性理論。 • 超対称性変換によるとボゾンとフェルミオンは交換する。 　　　クォーク、レプトン←―→スクォーク、スレプトン 　　　　（非SUSY粒子）　　　　　　　　（SUSY粒子） • 非SUSY粒子とSUSY粒子で量子補正がキャンセルし解決。 • Ｒパリティの保存によると、SUSY粒子は必ず非SUSY粒子と対になって生成される。 • 生成されたSUSY粒子は軽い粒子へ崩壊を繰り返し、最終的に最も軽い粒子（LSP：Lightest Susy Particle）に崩壊する。 • LSPはニュートラリーノであると考えられており、直接観測にかからないため、ジェットや大きな消失エネルギーの測定により判断する。

  26. 標準模型Higgs粒子 ＜主要な生成過程＞ (a) gluon-gluon融合 (b) WW(ZZ)融合 (c) W、Z粒子随伴生成 (d) t t クォーク随伴生成

  27. Higgs粒子の質量と生成断面積

  28. ミューオントリガーの仕組み

  29. Tracking方法 • Tracking ＜X-T Relation＞ X(t) = P2 t2 + P1 t t = C ( T0– TTMC ) C = 0.78 ns / count T0 X T0 = 1205 count P1 = 7.1×10-2mm/ns P2 = -5.0×10-5mm/ns2

  30. TGCの詳細 • １０％のギャップの変化は１５％のゲインの変化を引き起こす。ギャップが広がると電場が弱くなるため、ゲインがかせげない。 • 入射粒子によって形成された陽イオンが早くカソード面に到達し、チェンバーの不感時間を短くなるようにアノード・カソード間隔を1.4mmと狭くしている。陽イオンは電場を打ち消し、ガスゲインを減少させ検出効率を下げる。 • ワイヤー径が細いほどチェンバーの内部電場の高電圧領域が広くなる（電子のドリフト時間が短縮）。 • 一般のＭＷＰＣのワイヤー径は、ワイヤー間隔の１％程度。 • 一般のＭＷＰＣは、ワイヤー間隔：数mm、ワイヤー・カソード間隔：数cm、ワイヤー径：20μm、ＨＶ：2kV、ガスゲイン：104から105。 • チェンバーの内部電場はカソード面近傍でも10kV/cm、ワイヤー近傍では40kV/cm。 • カソード面にカーボンを塗布する理由は、陽イオンがカーボン面に衝突した際に電子がチェンバー内に飛び出さないように仕事関数が大きく、紫外線によって光電効果を起こさないよう原子番号が小さい物質であるから。 • 高抵抗のカーボン面である理由は、ストリップのクロストークを避けるため。 • ＴＧＣに入射した粒子はその飛跡に沿ってガス中の分子と多数衝突し、イオン化させる。電離された電子は、陽極へドリフトしながら、印加電場によって加速され、運動エネルギーを持つようになる。それがガス分子の電離エネルギーを超えると、さらにガス分子をイオン化し、２次電子を生成する。これが繰り返され、タウンゼント型電子雪崩を形成する。この過程をガス増幅という。ＴＧＣはこの電子雪崩を信号としてアノードワイヤーから読み取る。ガス分子を電離するだけでなく、励起させ紫外線を放出する過程も存在する。 • 電離によって生じた陽イオンは移動度が電子に比べて非常に小さいため、電子を収集する間にはほとんど動かない。従って、チェンバー内には陽イオンの雲ができ、それがゆっくり陰極に向かって拡散していく。ＨＶを上げていくと陽イオンの雲の濃度が高くなり、空間電荷を形成してチェンバー内の電場をゆがめ、電子雪崩の成長を抑制するようになる。　→　制限比例モード • 電離によってできた陽イオンはカーボン面に向かってドリフトしてくるが、カーボン面は高抵抗であるため、瞬間的には電流が流れなく、時間とともにゆっくり負の電荷か誘起される。ＦＲ４は誘電体なので、カーボン面側には正の電荷が誘起され、ストリップ面側には負の電荷が誘起される。よってストリップ面には正の電流が流れる。 • 充填ガスには、ガス分子による電子捕獲確率の小さいものを選ばなければならない。CO2は6.2*10-6、O2は2.5*10-5、H2Oは2.5*10-5 • 高いガス増幅の場合、紫外線による電離の影響が無視できなくなるため、紫外線吸収断面積の高いクエンチガスを用いる。吸収した紫外線のエネルギーを分子自身の回転エネルギーや、低分子への解離エネルギーに使用する。室温で用いることができるクエンチガスでＮペンタンが紫外線吸収断面積最大。

  31. 素粒子たち <lepton> • e (M=511keV J=1/2) • μ (M=105.6MeV J=1/2　τ=2.2μs) • μ -> e　νeνμ　: 100% • τ　(M=1.777GeV J=1/2 τ=0.29×10-12s) • τ -> μ　νμ　ντ　： 17% • τ -> e　νeντ　： 17% • νeνμντ (M～0 J=1/2) <gauge boson> • γ (M=0 J=1) • g (M=0 J=1) • W (M=80GeV J=1) • W -> l ν : 各10% • W -> hadrons : 70% • Z (M=91GeV J=1) • Z -> l+ l- : 各3.3% • Z -> hadrons : 70% • Z -> γγ : 5.2×10-5% • H (M>95.3GeV J=0) <meson> • π0 (M=135MeV J=0) • π0 -> γγ: 98.7% • π0 -> e+ e- γ: 1.2% • 　π＋　πー　(M=140MeV J=0) • π＋ -> μ＋　νμ : 99.9% • π＋ -> e＋　νe : 1.2×10-4 % <quark> • u (M=5MeV J=1/2 Q=2/3) • d (M=9MeV J=1/2 Q=-1/3) • s (M=175MeV J=1/2 Q=2/3) • c (M=1.27GeV J=1/2 Q=-1/3) • b (M=4.4GeV J=1/2 Q=2/3) • t (M=175GeV J=1/2 Q=-1/3) • t -> W b : 9.4% • t -> Z q : < 33% • t -> γq : < 3.2% <baryon> • p (M=938MeV J=1/2) • 　n(M=940MeV J=1/2) • n -> p e νe : 100%

  32. その他１ • Higgs粒子とは・・・電弱相互作用における自発的対称性の破れを説明するのに必要とされる。ゲージ理論によって、力を媒介するゲージボゾンの質量は０でなければならない。しかしこれらの粒子は質量を持っている。この質量がないはずの粒子に質量を持たせるメカニズムをHiggsメカニズムという。これによると、真空はHiggs粒子で満たされていると仮定しすると、真空はエネルギーを持った状態となる。この最低エネルギーの状態（真の真空）がゲージ変換の対称点からずれている。－＞自発的対称性の破れ。Higgs粒子が真空中に凝縮をおこし、弱い力のゲージボゾンはこの凝縮したHiggsと弱い力で結合することによって質量を持つ。（Higgsの真空期待値ν＝246GeV） • ＬＨＣ実験においてミューオンはきれいな信号を取り出せることからHiggs粒子発見のための最も確実なシグナル。 • Higgs粒子の役割は粒子に質量を付加することだけ。 • Higgs粒子の結合の強さは結合する相手の質量に比例する。 • 標準理論でHiggs粒子の質量の上限が1TeVのわけは、ＷＷの散乱のＳ波の散乱振幅のユニタリー条件からきている。ＷＷ－＞ＷＷの散乱において、修状態がスピン＝０の状態の散乱振幅を計算するとすべての散乱振幅の和を超えてしまう。そのためには、ＷＷ－＞Ｈ－＞ＷＷが必要で、この散乱振幅の計算により1TeV付近以下であるとされている。 • Higgs粒子の質量の下限は、ＬＥＰ２（200GeV）で発見されなかったことから>90GeVとされる。 • ＡＴＬＡＳ検出器が円筒形である理由は、入射粒子は軸対称に飛んでくるため、同心円状でなければならない。また、磁場をかけるためにも円筒形である必要がある。 • ハイレート耐性は、入射粒子によって形成されたイオンの動きで決まるため、ＴＧＣのデザインが決まった時点で決定される。Agingによりワイヤーの周りにカーボンが付着する。CH3よりも細かいＣが複合体（絶縁体）を形成する（長時間かけて）。 • リーク電流とは、ワイヤー・カソード間の抵抗は完全には無限大ではないため、ほんの少し電流が流れている。カーボン面やカソード面にごみが付いていたり、接着剤の漏れがあると、その部分は、電場が強くなり（先が細いほど電場が強くなる）、そこから放電を起こし、リーク電流が流れる。 • カソード面の検出効率が低いのは、カーボンの抵抗が低いためで、抵抗が低いと、一気に電流が流れてしまい、ＦＲ４と遮断されてしまう。

  33. その他２ • ＬＨＣ・・・バンチ長さ：75mm、バンチ内陽子数：1011個 • ＬＨＣ加速器に置かれる検出器は、ATLAS、CMS、ALICE、LHC-B。CMSはATLASと同じ目的。 • 単位秒当りに発生する事象の数（s-1）＝ルミノシティ(cm-2 s-1)×断面積(cm2) • 1 pb= 10-12 barn = 10-36 cm2 • 2 doublet で、まっすぐ直線が引けるものを探す（４層の内３層がヒット）。衝突点からまっすぐ引いた直線からずれているほど運動量が小さい。運動量が小さいものは落とす。エアートロイドによりφ方向に磁場がかけられる。内部はソレノイドにより、Ｚ方向に磁場がかけられる。 • 電磁カロリーメータ・・・電子、γが原子核の電場により制動放射（e→eγ：γ→e-e+）をおこす（電磁相互作用）。μは質量がおもいため、μ→μγの確率が低い。確率はmの2乗に反比例する。 • シンクロトロン放射でのエネルギー損失は、質量の4乗に反比例する。 • 1TeV以内にHiggsがないと標準理論が成り立たない。 • 反陽子は作るのが大変で、ルミノシティをためるのに大変。 • グルオンはｐのエネルギーの10%程度のエネルギーを持てる。Ｈが200GeVとするとgは100GeV程度で作れる。 • g よりも q の方が運動量が大きく持てる。が、ppによるジェットがあるため、Z→qq の運動量測定が難しい。クォークが入ったモードは解析が困難　⇒　レプトン重要。 • g g 融合ではクォークすべてがループ内を回れる。が、Ｈを作るためには重いほうが効いてくる。 • ＲＰＣ・・・2枚の平行板の間に高電圧を印加する。アノードにワイヤーを用いないガスチェンバーで、2枚の平行するベークライト板の間のガスに電圧を印加し、信号はストリップから読み出す。ＲＰＣはストリップを直交するように重ねられ、二次元読み出しを実現している。 • ＴＧＣ内に粒子が入射すると～10個程度のクラスターができる。 • ギャップが広がるとワイヤー近傍の電場が変化する。ワイヤー近傍でのガス増幅が重要。 • ガス圧が上がるとゲインは下がる。電場に十分なエネルギーをもらう前にガス分子と衝突してまうため。　　　Ｅ（電場）／ｐ（圧力） • Scinti の time resolution < 1 ns 。scinti の長さを考慮しても 2～3 ns　（scintiの中でのscintillation光が伝わる速さは、5 ns / s ）

  34. その他３ • Linuxはwindowsに比べてシステムコールが使いやすい。ＶＭＥインターフェイスなど • WindowsはＣＰＵを無駄に使いすぎ。 • スケーラビリティ・・・簡単にシステムを拡張できる。 • 一般にデータの受け渡しは、シェアードメモリを用いて行う。プロセス間通信が速く、密結合となるのが特徴。しかし、この間の通信の速さを求めていないのでファイル経由でいい。また、メモリでは壊れる可能性が大きい。 • 検査設備でＴＧＣのヒット分布がＤＴのヒット分布よりピークが立っているのは、立体角を考えると中心が多くなる。

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