/ 20

修士論文発表会

大型ハドロン加速器実験用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

1

/ 20

L = 27km

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

44m

22m

7TeV陽子

7TeV陽子

衝突周期 25ns

√s = 14TeV

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

• 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

p p

LHC 加速器

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

2

/ 20

バレル部

エンドキャップ部

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

e

np

薄ギャップチェンバー [TGC ( Thin Gap Chamber ) ] の動作研究を行う

薄ギャップチェンバー [TGC ( Thin Gap Chamber ) ] の動作研究を行う

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%

ATLAS 検出器断面図

3

/ 20

R

イイイイイイイイイ TGC 検出器

22m

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)

μ

3/4 coin

TGC2 TGC3TGC1

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

イイイイ

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

衝突点

4

トロイド磁場

2/3 coin

• ガス増幅率 106

• 限定的比例領域• タイムジッター < 25ns• CO2 + n-pentane

/ 20本研究の目的と TGC の実験段階 5

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

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

/ 20地上動作試験 (0) TGC エレクトロニクス

エレキハット

PS ボード

TTC(Trigger&Timing Control)トリガー配布

ASD

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

ASD(Amplifier Shaper Discriminator)アナログデジタル

PP(Patch Panel) ASICLHC クロック (40MHz) に同期SLB(SLave Board) ASIC① 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

10m 100m

6

/ 20

T2 T5 T6 T7 T8 T9Strip(φ)

Wire (R)

地上動作試験 (1) 測定項目

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

① ケーブル接続 (ASDPS 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、宇宙線試験の手法を確立 テストパルス、宇宙線試験の手法を確立

試験単位1/12 セクター

7

チェンバー以降のテスト

チェンバー応答のテスト

テストパルス

宇宙線

/ 20地上動作試験 (2) テストパルス試験

# of event

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 )

ASDPS ボード間のケーブル接続ミス

16 チャンネル(ASD1 つ分 )

[ セットアップ ] 約 100Hz でトリガー発行

チャンネル

# of event # of event

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

テストパルス発行

チャンネル

チャンネル

テストパルスでスピーディに基本的動作の確認 テストパルスでスピーディに基本的動作の確認

8

/ 20地上動作試験 (3) 宇宙線試験[ セットアップ (TGC3 の場合 ) ]

宇宙線のトリガーレート

① 欠損チャンネルの発見 ②HV ケーブル線の誤接続の発見

AND OR

1層目(HV on)

2層目(HV on)

1層目(HV on)

2層目(HV off)

コインシデンスあり & 両層 HV on

コインシデンスなし & 片層 HV on

トリガー

トリガー

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ガス

セルフトリガー

データ収集環境 ( 地上 ) 値

使用ガス CO2 100%

HV 2800V

9

/ 20

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

T2T5 T6 T7 T8 T9

strip

Wire

Chamber境界

地上動作試験 (4) 宇宙線試験結果

T5

T6

T6

T7

T7

T8

T8 T9

T9

Wire

Strip Chamber境界

T5

Wire ch

Strip ch

典型的なヒット分布

10

/ 20

Chamber単位でswapHV線の swap発見！

TGC3, 1層目 HV 2800V

TGC3, 1層目 HV 2800V

TGC3,2層目 , HV off

TGC3,2層目 , HV off

Wire ch# of

eve

nt

Wire ch# of

eve

nt

正しいprofile

Wire ch# of

eve

nt

Wire ch# of

eve

nt

TGC3, 1層目 HV 2800V

TGC3, 1層目 HV 2800V

TGC3,2層目 , HV off

TGC3,2層目 , HV off

コインシデンスなし , 1層目だけ HV 2800V

欠けチャンネル発見

Wire ch

# of

eve

nt

コインシデンスあり , HV 2800V

地上動作試験 (5) 宇宙線試験結果

T5 T6 T7 T8 T9

11

T5 T6 T7 T8 T9

/ 20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

欠損チャンネル

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 4/242 枚 17/198 枚

ALL 8/484 6/484 24/396

欠損チャンネル

A side 15/154k

C-side 18/154k

ALL 33/320k

欠陥箇所：全体の 6% (6608 チャンネル )

全て修復！1. 全てのエレクトロニクスの正常動作に成功 2. 対処しなければ欠損になっていた 6% の機能を

回復3. 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

1. 全てのエレクトロニクスの正常動作に成功 2. 対処しなければ欠損になっていた 6% の機能を

回復3. 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

12

/ 20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

13

地下への実装

C09/A10 TGC1,2,3 その他 TGC1

CA

/ 20TGC の実験段階 14

/ 20動作検証項目

1. 欠損チャンネルの把握 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

2. 検出効率現環境下 (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

15

/ 20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

CA

C09/C10/C11A09/A10/A11

欠損チャンネル数

地上 地下

C09 0 / 3336 0 / 3336

A10 1 / 3336 2 / 3336

1 ：既知、1 ：新

地上

地下Consistent!

Strip channel

# of event

OK

T5 T6 T7 T8 T9

16

/ 20動作検証 (2) 欠損チャンネルの把握

T9T8T7T6T5

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

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

wire channel

# of event

地下における動作検証

•　新しく発見した欠損チャンネル

17

/ 20動作検証 (3) 検出効率• 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)

L1 L2 L3

?

5~10%

μ

18

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

CA

C09/C10/C11A09/A10/A11

/ 20動作検証 (4) 検出効率

検出電荷量(pC)

CO2 100%

CO2 : n-pentane55 : 45

2.3 2.5 2.7 2.9 3.1 3.3 3.5 3.7

印加電圧 (kV)

Supplied voltage (kV)

2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.0 3.1 3.2

Vth=100mVCO2+nペンタ

ン=55:45

印加電圧 (kV)

検出効率 (%)

② 本実験で十分な効率が得られるか ?

19

現在のデータ取得環境• HV ： 2800V• ガス ： CO2 100% • 閾値電圧 ： 100mV

①現環境下で妥当な検出効率か ?

0.08pC @ 2.8kV (CO2 100%)同じ検出電荷量を得るには、2.6kV (CO2 + n-pentane = 55:45)

閾値電圧 100mV では、 5~10 % の 検出効率に相当妥当

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

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

/ 20まとめTGC の動作を確実なものとするため、動作確認、および動作検証を

行った

• 動作確認• 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

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

20

/ 20

Back up

21

/ 20μ 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

22

/ 20標高差の補正

2.9kV(KEK) = 2.8kV(CERN)

印加電圧 v.s. 検出電荷量

印加電圧 v.s. 検出効率 (CO2 + n-pentane)

標高差の補正：KEK(32m), CERN(421m)

検出効率 10%は現環境下で妥当 本番 2.9kV印加時で 100% 可能

23

/ 20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)

24

/ 20Some figures 25

/ 20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 (100-0.01 = 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。

)23()34(

})1({})1({5

444

334

333

223

CCCC

high-Pt trigger eff.

MU 10

MU20

MU40

efficiency

/ 20動作検証 (3) 検出効率• 検出効率 ( L2 ) = #(L1& L2 & L3) / #(L1 & L3)

L1 L2 L3

?

ch(L1-L3)ch(L1-L3)

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%

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

黒に対する赤のヒストグラムで検出効率を算出※Δch(L1-L3)=0,1 のみ論理的にトリガー可能

Δch

μ

27

/ 20カロリメータ 28

どの領域においても 10X程度の interaction length で十分に阻止可能

/ 20使用チェンバー 29

/ 20TGC の内部構造 30

/ 20ATLAS 地下 31

/ 20SLB バッファの読み出し 32

SLBBuffer

トリガー

• 3 neighboring BC data was taken from SLB buffer

previous, current, next

previouscurrentnext

Read out

/ 20 TGC の配置 33

/ 20μ 粒子トリガーの威力 34

/ 20宇宙線のトリガーレート 35

上空から見た有効面積は2.5cm * 10m = 2.5m^2

Δch

μ

/ 20閾値電圧適正化 36

/ 20ウインドウサイズ 37

5~20cm程度