Transcript 陽子・陽子衝突による TeV 領域の素粒子物理 （領域略称名

特定領域研究 ：領域番号 ７１６
陽子・陽子衝突による TeV 領域の素粒子物理
（領域略称名：アトラス実験）
研究期間：平成１１年度〜平成１６年度
近藤敬比古
高エネルギー加速器研究機構・素粒子原子核研究所（領域代表者）
小林富雄
東京大学・素粒子物理国際研究センター
武田 廣
神戸大学・理学部
1
LHC計画
ホスト研究所： CERN（欧州合同原子核研究機関）
LHC加速器：
・加速器タイプ：陽子・陽子衝突型加速器
・エネルギー： ７ TeV + 7 TeV
・ルミノシティ： 1034 cm-2s-1
・加速器建設完成： 2007年夏
LHC実験装置： ・アトラス、CMS （汎用陽子・陽子衝突実験）
→1 TeVのエネルギー領域おける
素粒子物理の研究
・LHCｂ （Bクオーク実験）
・ALICE（重イオン衝突実験）
2
標準模型
ヒッグス粒子以外は全て存在が確認されて
いる。標準模型には補助場としてヒッグス
場の存在が必要であるが、まだヒッグス場
に伴うヒッグス粒子は発見されていない。
標準ヒッグスの質量の制限：
量子補正を通じてこれまでの実験から
標準ヒッグス粒子の質量に制限がつく。
黄色部分はLEP実験では除外されてい
る。ヒッグス粒子は200GeV以下にある
確率が高い。
3
超対称性（SUSY）粒子が 1 TeV領域に存在すれば、（重力を除く）
３つの力の強さが1025eV付近で一致し力の大統一が可能となる。
また軽いヒッグス粒子の質量の不安定性（階層問題）が解決する。
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LHC加速器
加速器トンネル周長：27km
建設完成： ２００７年夏
加速器建設コスト： ~3,000 億円
超伝導ダイポールマグネット
（15m長, 8.36 Tesla）1232台
のうち約120台が地下トンネル
に据え付けられた(2005年10
月現在）。
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ATLAS Detector
Diameter
Barrel toroid length
End-cap end-wall chamber span
Overall weight
25 m
26 m
46 m
7000 Tons
6
地下実験場で組み立て中のアトラス測定器（2005年6月現在）
7
アトラス実験参加国と建設費分担（単位：百万スイスフラン）
アメリカ
81.0 カナダ
15.1
ポルトガル 2.2
トルコ
0.4
CERN
60.0 オランダ
12.4
ギリシャ
モロッコ
0.3
フランス
59.4 スエーデン 10.8
チェコ共和国 1.7 べラルース
0.2
イタリア
45.0 スペイン
9.8
スロベニア 1.5
アルメニア
0.2
ドイツ
40.0 イスラエル
5.0
中国
1.0
ブラジル
0.2
イギリス
34.0 ノルウエー
4.2
ポーランド
1.0
アゼルバイジャン0.1
日本
32.1 台湾
3.0
ルーマニア 0.6
ロシア
26.1 デンマーク
3.3
オーストリア 0.6
スイス
18.5 オーストラリア2.5
スロバキア 0.6
1.7
グルジア
合
0.1
計 468 MCHF
8
日本の研究機関の分担 (CHFはスイスフラン）
担当項目
建設費の日本%
日本の参加研究機関
TGCトリガーチェンバー
8,890 kCHF
の60%
東京大、神戸大、信州大、KEK
レベル１トリガー回路
3,465 kCHF
の91%
KEK、東京大、京都大、首都大
学東京
ミューチェンバー用TDC
1,415 kCHF
の100%
KEK、東京農工大
シリコン半導体検出器
44,795 kCHF
の15%
KEK、広島大、岡山大、京都教
育大、筑波大
データ収集
9,385 kCHF
の16%
長崎総合科学大、KEK、大阪大、
広島工大
超伝導ソレノイド
10,900 kCHF
の100%
KEK
オフライン解析ソフト
福井大、広島工大、KEK、
鳴門教育大、信州大、新潟大
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本特定領域を推進するに当たっての方針
LHC計画に国際協力で参加し、１兆電子ボルト領域の素粒子
物理の研究を推進する。→日本は集中してアトラス実験装置
の建設に参加する。研究の遂行は以下の段階に分かれる：
（１）１ＴｅＶ領域の物理の検討（1992年～2000年）
（２）日本が担当する検出器部分の建設（1994年～2006年）
2-A：設計・開発研究・プロトタイプ製造と試験
2-B：検出器部分の製造
2-C：検査・運搬・据付・較正・試運転
（３）実験の遂行とデータの解析（2007年以降）
KEKを通じた大型特別機械
設備費（総計 約27.5億円）
本特定領域科研費による支援
（総額 約８億円）
10
領域内の計画研究
研究課題名
代表者
達成度
ミューオントリガ−チェンバ−開発と建設
武田 廣
（神戸大学教授）
90 %
２
ミューオントリガ−電子回路の開発と建設
小林富雄
（東京大学教授）
70 %
３
ミューオン飛跡測定用時間測定集積回路の開発
と建設
新井康夫
（高エネ研助手）
100 %
４
超伝導ソレノイド磁場内でのシリコン半導体飛跡
検出器の開発と建設
海野義信
（高エネ研助教授）
100 %
５
デ−タ収集と測定器シミュレーション技術の開発と
建設
尼子勝哉
（高エネ研助教授）
80 %
１
11
計画研究１：ミューオントリガ−チェンバ−開発と建設 (1/3)
(1) 1200台のTGCチェンバ−の大量
製造に成功した。
Nu m be r of m e asu re d
poin ts
チェンバーあたり約1000本の極細
ワイヤーのハンダ付け作業
100000
閉じ前のチェンバーの点検作業
26112
10000
822
1000
100
10
1
2
0
1
2
0
3
0
4
0
5
0
6
Distortion [0.1mm]
製造されたチェンバーの平面性の対数グラフ。
100ミクロン以上を示したものは3%であった。
完成したチェンバー。この後神戸
大に運ばれ宇宙線検査を受ける。
チェンバータイプ
製作台数
合格率
T7
795
99.2 %
T4
215
99.5 %
T5
214
98.8 %
SUM
1224
徹底した品質管理により高い製造合格率が得られた。
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計画研究１：ミューオントリガ−チェンバ−開発と建設 (2/3)
(2) 宇宙線検査ステーションによるTGCチェンバーの全量検
査（検出効率・時間分解能・ガスリークなど）に成功した。
宇宙線を使ったチェンバー検査
ステーション（神戸大学）
検出効率マップの例。白色が効率100%。
不感部分は支持仕切板とボタン型柱。
検出効率の分布。95%
以下のものは2162枚
中3枚だった。
1195枚中の1176枚分が合格し（98.4%）CERNに運搬された。
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計画研究１：ミューオントリガ−チェンバ−開発と建設 (3/3)
(3) 全ての検査済みTGCチェンバーをCERN輸送し、現地での
調整と組立作業を開始した。
神戸大からスイスに海上輸送した。
CERNでHV testなどを行う。
CERNの地上実験場でTGCチェンバー
をフレームに据付ける作業。
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計画研究２：ミューオントリガー電子回路の開発と建設
(1) 40万チャンネル分のASD電子回路の量産と検査に成功した。
(2) 端部ミューオンシステムのレベル１トリガー回路システムの建
設は最終段階で継続中。
ASD チップを４個載せた回路
ボード。40万チャンネル分を
製造し中国で検査した。
４種類の特殊集積回路は
大学院生が設計し成功した。
これらのうち、最も複雑な
SLB-ASICのデバッグに時間
がかかり1年以上遅れた。
2003年プロトタイプ回路を
CERNでビームテストし
基本性能を確認した。
15
計画研究３：ミューオン飛跡測定用時間測定集積回路の開発と建設
TDC (時間差デジタル変換) 電子回路の設計・試作・量産
（４４万チャンネル分）に成功した。
24ch TDCチップ AMT3
（ゲート数は約40万）
時間測定精度はRMSで
300 psecが得られた。
AMT3チップを組込んだミューオン検
出器は地下実験場に据付進行中。
ガンマー線・陽子に対する耐放射線テスト（total dose, single upset）も合格した。
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計画研究４：超伝導ソレノイド磁場内でのシリコン半導体飛跡検出器の開発と建設 (1/2)
(1) 超伝導ソレノイドを設計・製造・試験運転・組込みに成功した。
東芝で製作中のソレノイド
2000.12:運転電流の110%の8400Aの性能を確認。
2004.2：CERNでLArカロリメターとの
共通クライオスタットに据付成功した。
2004.10：地上での試運転成功後
地下実験場に搬入された。
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計画研究４：超伝導ソレノイド磁場内でのシリコン半導体飛跡検出器の開発と建設 (2/2)
(2) シリコン半導体センサーとモジュール980台の量産を完成した。
(3) モジュール設置用特殊ロボットの設計と製造を完成した。
ABCD3T chips
(12 x 128 ch )
connector
carbon-carbon bridge
(underneath)
glass pitch-adaptor
(2 x 6 x 128 ch )
flexible Cu/PI circuit
300
250
200
150
100
50
0
-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10
midyf[μm]
モジュールの組立精度は～2μmを達成できた。
日本はハイブリッド回路を全数供給し
約1000台のモジュールを組立てた。
日本が設計・製造した自動ロボット（黄丸）
で2200台のモジュールマウントが出来た。
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計画研究５
デ−タ収集と測定器シミュレーション技術の開発と建設
(1) オブジェクト指向シミュレーションツールGeant4の完成。
(2) LHC用計算機環境の開発・整備を進めた。
(3) LHCにおける14TeVの重心系エネルギーでの陽子・陽子
衝突の素粒子物理の検討
日本とCERNが中心となって開
発した物質中の素粒子の振舞
いをシミュレートする Geant4が
完成し、全てのLHC実験はじめ
世界中で使われている。宇宙・
医学への応用も進んでいる。
東大ではCPUファームを導入
し、グリッドを用いてデータ解
析を世界的に分散して行なう
開発を推進している。
ヒッグス粒子などの発見プ
ロセスのシミュレーションを
行なっている。図はH→γγ
の崩壊過程のシレーション
で日本の大学院生による。19
達成度について 1/2 （説明資料 p.11）
計画研究 1 : 90 %
・約1100台のTGCを製作し------------------- 終了
・神戸大で宇宙線検査後にCERNへ輸送し------ 終了
・アトラス測定器への据付・調整・試運転を行う--- 進行中
計画研究 ２ : 70 %
・ASD電子回路の量産と検査-----------------・電子回路の試作・試験・最終設計------------・フルシステムテストを行う-------------------・量産を終える-----------------------------・チェンバーへ取り付ける---------------------
終了
終了
終了
進行中
準備中
20
達成度について 2/2 （説明資料 p.12）
計画研究 ３ : 100 %
・TDC LSIの開発と量産を行う--------------・放射線耐性を確認する--------------------
終了
終了
計画研究 ４ : 100 %
・690モジュールの製造と検査--------------- 980台終了
・円筒シリンダーの開発・建設-------（代）ロボット建設終了
・超伝導ソレノイドの開発・建設----------------- 終了
計画研究 ５ : 80 %
・イベントビルダーを開発-----------------終了
・シミュレーションプログラムの開発------ Ｇｅａｎｔ４は終了
・データ解析プログラムの開発--------------- 進行中
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領域研究（アトラス実験）
⑤ 研究成果の取りまとめ状況→平成17年度中に行なう予定。
⑥ ホームページ
領域科研費（アトラス実験）HP
アトラス日本グループHP
http://atlas.kek.jp/public/kakenhi/
http://atlas.kek.jp/
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領域研究（アトラス実験）
⑦ 総括班評価者による評価
・評価者による領域全体の評価作業を積極的に進めなかった（反省点）。
・年に３回のペースで全体グループ会合を行っている
・アトラス国際チームの監視とレビューの下に置かれてきた。
⑧ 研究領域の問題点と対応措置
・装置建設に約１０年、実験の運転・データ解析に１５年以上が必要 →
継続した長期の研究領域の確立が望ましい。
・直接建設費（物件費）はKEKを通じた特別予算でカバーし、間接経費（旅
費・設計・試作・ビームテスト・試運転・運搬など）を本研究領域でカバーし
た。この経費負担の住み分けは非常にうまく機能した。
⑨ 当該学問分野および関連分野への貢献度
LHC計画は素粒子物理学分野では全世界から注目を集めている。標準
模型の最終的な実証とそれを超える物理への手がかりの発見が期待さ
れている。宇宙の初期状態のより深い理解へとつながる。
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Backup slides
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計画研究２が遅れている主要原因
(1) 40万チャンネル分のASD電子回路の量産と検査に成功した。
(2) 端部ミューオンシステムのレベル１トリガー回路システムの建
設は最終段階で継続中。
ASD チップを４個載せた回路
ボード。40万チャンネル分を
製造し中国で検査した。
４種類の特殊集積回路は
大学院生が設計し成功した。
これらのうち、最も複雑な
SLB-ASICのデバッグに時間
がかかり1年以上遅れた。
2003年プロトタイプ回路を
CERNでビームテストし
基本性能を確認した。
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SLB ASIC
•
•
•
Input
ROHM 社 0.35mm CMOS
– セルベースＡＳＩＣ
– ダイサイズ: 9.86mm x 9.86mm
– I/O ピン数: 256 (QFP)
JTAG
800Kゲート相当
– ランダムロジック: 200Kゲート
– メモリ: 600Kゲート (56Kbit)
各ブロックごとに、マクロセル化。
– クロックのskewを最少化するため、
Readout
十分な数のクロックツリーを組み
込んだ。
Trigger
– ランダムロジックの配置配線は、
オートルータを用いた。
– レイアウトや電源配線など、かな
不適切な設定によって
りの部分に自由度がある。
失敗しても、自己責任。
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SLB ASIC 開発で遭遇した主要問題点
• 配線遅延ー＞でタイミング違反
• 自動配線ー＞過多fanout信号の生成
~440 fanouts (PSC@Readout Block)
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