大型計画 HL-LHCの論点

2012 年 11 月 29 日素核研運営会議

徳宿克夫

なぜ HL-LHCか？• LHC は今後 10 年以上にわたって唯一

の Energy Frontier 加速器• LHC の衝突点収束系磁石と、実験の

Inner tracker は 300-500fb-1 のデータ収集後、放射能損傷によって寿命を迎える。（ 2020 年代前半）– 積分ルミノシティ 1000-3000fb-1 の物理を

やるには upgrade が必要。• どうせなら 3000fb-1 を目指そう。クラ

ブ空洞を入れて 5x1034cm-2s-1 でのluminosity leveling による運転。 ( 実験グループにとっても闇雲に Lumi を上げるよりは楽 : 　それでも Nint =100)– この環境でも、現在以上のパフォーマンスを持つ

測定器がほしい。 2

アトラス測定器の模式図2008 年に測定器が完成し2009 年から衝突実験が始まっている。

日本が貢献したビーム収束磁石

1000-3000fb-1の物理• Higgs の精密測定• もし 2015 年からの 13TeV ランで BSM 新粒子が

発見されれば、– その性質測定、さらなる探査

• 発見されなければ– Kinematic limit ギリギリまでの探索。　　　陽子 PDF 　　　　　　→　高いエネルギーのパートンは非常に少ない　　　　　→　高統計が必要

4

Higgsの精密測定　　　（非常に conservativeな見積）

• κγ/κZ tested at 2% • gg loop (BSM) κt/κg at 7-12% • 2nd generation ferm. κμ/κZ at 8%

5

Higgsの精密測定　

H→μμ

H→γγ

Universal 　 KV 、 KF 　 noBSM の仮定なら

6

BSM　

HL-LHC リーチ– 3TeV squarks 　　 2.5TeV gluinos– 300fb-1 よりも　 400 GeV 進める

7

何をやるか基本的な考え方　

• 加速器– とりあえず KEK が貢献出来るところをやる（今回の見積）– ただし、 HL-LHC に対する日本のシェア等を考えるとそれ以上の貢献が求められる可

能性もある。（例えば日本企業の優れた製品を In kind 供給とか　→　今後の議論だが早めに固める必要があるか？

• 測定器– これまで責任をもっていたところはきちんと責任を持つ　（Muon 　

Trigger 、 Silicon 　 Strip ）– 技術的な興味と日本の得意分野での貢献　（ Pixel ）– 小規模だがさらなる拡張（ CAL/Track Trigger)– ATLAS では、建設当時のシェア程度の貢献を求められるので、必要な金額は既にほぼ

決まっている。

• 計算機– HL-LHC にというよりは、恒常的にアップグレードが必要なので、大型計画には加え

ない。（つまり、東大の Tier2 関連はとりあえず含めない）

8

計画表 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022

2023 2024 2025 2026 2027 2028 2029 2030 2031 2032

補修 13-14TeV 運転 14TeV 運転

前段加速器整備建設 設置

収束磁石 設置建設

LHC 運転

設計・開発

HL-LHC 運転実験遂行（ 3 年に 1 度ぐらいで長期補修がある見込み）10 年間で積分ルミノシティ 3000fb-1 をめざす。　（運転経費 2 億円 / 年　程度＊）　　　＊現在通り、加速器の運転経費を払わないと仮定

クラブ空洞 技術協力 設置

飛跡検出器

ミューオン

設置建設設計・開発

その他のトリガー 設計・開発 設置

設置建設設計・開発 部分設置

補修 補修

加速器建設

測定器建設

建設

LHC 建設の際に日米で協力開発・建設した衝突点最終収束部の磁石を交換し、より大口径でより耐放射線の高いシステムとして、高輝度化に対応する。以下のような開発研究が進行しており、この計画ではＤ１磁石を日本が担当すると想定して算出している。• EC FP7-HiLumi LHCへKEK は公式に参加（ 2011~2015 ）

– 加速器のビーム光学、磁石、クラブ空洞、その他の概念設計、基礎開発• KEK の開発分担（磁石）：ビーム分離用大口径超伝導双極磁石（ D1 ）• D1 の仕様、開発要素

– 6T級＋大口径（ φ130~150 ）＋外径の制限→ 　コイル応力、磁場精度（鉄の飽和、漏れ磁場）

– 大量の放射線、入熱（ 1022n/m2, 数 10MGy,~100W ） @3000fb-1

→ 　耐放射線性材料の開発・評価、冷却・除熱性能の向上– NbTi超伝導線が最有力（バックアップ Nb3Sn ）

• 頭脳循環プログラム（代表・徳宿教授）により徐が 2011 年 3 月から CERN で概念設計を開始。

9

ATLAS 、 CMS のビーム最終収束部を交換

現在検討中の D1 磁石断面

D1: KEK

衝突点

Q1-3: US-LARP(Nb3Sn) orCERN(NbTi)

D2: BNL Q4-6: CEA/Saclay

現行 LHC ビーム最終収束部磁石配置と HL-LHC での磁石開発分担

HL-LHC加速器への貢献（１）（磁石）

J-PARC で開発した金属磁性体合金を使った高周波加速空洞は、ルミノシティ向上を目指すための LHC入射器アップグレード計画の一環として、 LHC にビームを入射するための前段加速器で採用されることとなった。特に最初の円形加速器であるＰＳブースター（ＰＳＢ）の改造の中心項目となっている。試作した空洞がすでにリングに設置され、ビームを使った最終確認試験が進んでいる。 J-PARC での経験を活かした空洞技術協力とともに、高周波用の低故障率で高出力半導体アンプの開発供与を行う。

10

HL-LHC加速器への貢献（ 2）（ PSB空洞用アンプ）

金属磁性体空洞の中身。５つの空洞で構成され、各空洞に２枚ずつ磁性体リングコアが装填されている

PSB リング４（４台のリングのうちの最上段）に設置された金属磁性体空洞。既に実際のビームを使った加速試験、ビーム負荷試験が進行している。

設置直前の５連空洞とアンプ５台 (手前）。今回の概算要求では４階建てのリングに必要な数の半分にあたるアンプ４０台製造する。残りはセルン側で制作する。

11

HL-LHC加速器への貢献（ 3）（クラブ空洞）瞬間輝度を常に最大にすることを目指すのではなく、輝度を一定期間一定に保つことができれば、実験の条件を一定にしたうえでビームの寿命を長くすることができ、積分のルミノシティを多くできることがわかっている。日本がＫＥＫＢ加速器で実用化したクラブ空洞により、衝突時のビームの衝突時の角度を変えることで、瞬間輝度を制御する。どれだけ貢献するかは今後の議論によるが、日本が実機制作に関与する可能性は低い。ＫＥＫＢでの経験をもとに、表面処理、ＫＥＫの施設を使った低温での空洞試験など技術協力を検討中。さらに、シミュレーションによるビーム軌道安定性の研究等での協力も検討する。

クラブ空洞を使ってバンチの向きを変えることにより衝突輝度を上げることができる。 LHCでは、ビーム強度が少なくなったときに角度をつけていくことで、ルミノシティーを長時間一定に保ち、積分ルミノシティを高くできる。

KEK の加速空洞用の電解研磨装置

KEKB用のクラブ空洞

12

アトラス実験（１）　内部飛跡検出器の総入替HL-LHC では、瞬間輝度は 5×1034cm-1s-1となり、一度のバンチ衝突では 100以上の陽子・陽子衝突が重なり、大量の粒子が発生する。精密測定を進めるためには、このような状況でもそれぞれの衝突を分離でき、個々の荷電粒子の運動量を精度よく測れるように、現在のアトラスの飛跡検出器の総入替を行う。すべてをシリコン検出器にし、ストリップ型及びピクセル型の検出器をそれぞれ160ｍ 2、 6ｍ 2という大規模な延べ面積分製作する必要がある。日本グループは、これまでアトラス実験の中でＳＣＴ，ＩＢＬという半導体検出器を担当してきた実績を活かして、ストリップ型、ピクセル型の両方の製作に貢献する。すでに、ストリップ型、ピクセル型ともに、プロトタイプ開発を進めており、高耐放射線のシリコンセンサーの製作には目途がついている。最初の数年で、読み出しのASIC を接続したシステムテストを続け、2016年から約5年かけて実機の製作に入る。 2011年に完成させて宇宙線等でのテストをしたうえで、2012年にアトラス実験装置の内部に組み込む。

ピクセル検出器

飛跡検出器のレイアウト案（外側がストリップ型検出器）

10cm HL-LHC での事象シミュレーション。 115事象が重なっている

ストリップ型検出器の試作機 後方は 8モジュールを組合せたテスト機

13

アトラス実験（２）　ミューオントリガーシステムの改良日本グループはアトラス測定器の端部ミューオンシステムをイスラエル・中国とともに建設し、それをもとにミューオントリガーシステムを構築した。HL-LHCの高ルミノシティ環境では、衝突からくるミューオンが増加するので、より高運動量分解能を持ったトリガーシステムが必要となる。また、反応粒子数の増加とともに偽のトリガーが出る頻度を極力抑える必要がある。このために新たに内部に設置するミューオン検出器を取り込んで総合的にミューオン粒子の有無を判断するトリガーシステムを開発する。2018年のLHC改造期に合わせて、まずこの総合システムを導入して、偽のトリガーの頻度を押さえる。その後、より位置分解能の高いミューオン測定器［ドリフトチューブ型測定器（ＭＤＴ） ]の情報を取り込んだシステムを構築し運動量分解能の改善を図り、2022年に設置する。

Outer MDT

Middle MDT (BW)

mInner MDT

高分解能のミューオン検出器を総合したトリガーシステムの概念図

日本グループが建設したトリガー用の端部ミューオン測定器

2018 年に交換する内部ミューオン検出器

14

アトラス実験（３）　後段トリガーの整備ミューオントリガーで収集されたデータをそのまま記録するにはまだ事象頻度が高すぎる（約数10kHz)ため、他の測定器の情報も使って、収集したデータを精査し、偽のミューオンや運動量を間違って見積もってしまったミューオンなどを排除して、記録可能な頻度（約1kHz）まで落とす。これが後段トリガーの役割である。これには、大規模なネットワークと計算機を配備したコンピュータファームによる方法と、特殊なハードウェア計算機システムによる方法との2通りが考えられ、現在のアトラス実験でも両方を混用して使っている。特殊なハードウェアの例としては、現在早稲田大学が中心になって行っている、内部飛跡検出器を使ったトラッキング専用システムなどがある。アップグレードにおいても、両方の手法が議論されており、ミューオンのトリガーに関して言えば、内部飛跡検出器とのマッチングやカロリメータとのマッチングなどを検討している。ハードウェア開発は、プロトタイプを2018年のLHC改造期に合わせて部分的に導入し、性能を確認したうえで、2022年に設置する。計算機ファームは、設計と小規模システムでテストした後、実験開始の二年前の2021－2022年に一気に導入設置をすることで、その時点での最新の計算機を使えるようにする。どちらにウェイトを置くかは今後数年間の開発研究によって決まる。

高分内部飛跡検出器の情報からトラックの情報を取り出す専用ハードウェアの開発基板

カロリメータトリガーの専用ハードウェアの模式図。この後にミューオンの情報とカロリメータの情報を組合せる回路をおく可能性を検討する。

アップグレードための加速器・測定器建設と並行して、現在のＬＨＣでの実験が並行して進む。この分に必要な経費は年間 2 億間であるので、それを最後の欄の「アトラス実験運転」で示してある。

15

年次計画年度 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 10 年積算

（千円） 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　

ＬＨＣ収束磁石 82,800 69,600 18,000 526,080 376,720 706,960 646,960 347,960 297,640 259,480 3,332,200

PSB 空洞アンプ 0 0 6,000 48,000 48,000 24,000 0 0 0 0 126,000

クラブ空洞等 (HL-LHC) 12,000 12,000 12,000 12,000 12,000 12,000 12,000 12,000 12,000 12,000 120,000

　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　

シリコン検出器入替 62,000 83,000 62,000 329,000 329,000 493,000 329,000 165,000 10,000 20,000 1,882,000

ミューオントリガー改造 5,000 10,000 15,000 21,000 38,000 288,000 196,000 705,000 213,000 13,000 1,504,000

後段トリガー改造 0 0 10,000 10,000 70,000 50,000 10,000 10,000 200,000 200,000 560,000

アップグレード小計 161,800 174,600 123,000 946,080 873,720 1,573,960 1,193,960 1,239,960 732,640 504,480 7,524,200

　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　

アトラス実験運転 200,000 200,000 200,000 200,000 200,000 200,000 200,000 200,000 200,000 200,000 2,000,000

　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　

ＬＨＣ全体 361,800 374,600 323,000 1,146,080 1,073,720 1,773,960 1,393,960 1,439,960 932,640 704,480 9,524,200

16

参考資料： LHC とその前段入射加速器

LINAC4 建設中（ 2018 年）使用開始

PS ブースター

PS

SPS

LHC

ATLAS 実験設置場所

17

参考資料 : LHC/ATLAS 改造総額年 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 11 年積算

（百万スイスフラン） 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　

ＬＨＣ　 Injector Upgrade 15 23 28 28 41 33 7 　 　 　 　 175

LHC Performance improving consolidation

15 17 22 30 41 44 44 49 76 76 47 461

LHC Performance upgrade (HL-LHC)

0 15 22 40 50 50 51 50 41 30 11 360

加速器全体 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 996

ALTAS upgrade アトラスのアップグレード予算の全体の年次計画はまだできていない。 327

注：　加速器の建設・改造経費に関してはまだＣＥＲＮは公開しておらず、内部文書を基に作成。今後大きく変わる可能性がある。　 LHC Peformance improving consolidation と　 Performance upgrade の区別はあまり明確に公表されていないが、収束磁石は前者、クラブ空洞は後者に該当すると考えられる。