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中国的 LHC 合作 童国梁 中国科学院高能物理研究所 东方科技论坛 （上海） 2005. 6.28-29

中国的 LHC 合作 童国梁 中国科学院高能物理研究所 东方科技论坛 （上海） 2005. 6.28-29. 内容提要. 1. LHC 强子对撞机 LHC 实验计划： （ ATLAS,CMS,LHCb,ALICE) 3. 中国参加 LHC 合作的各实验组现状和未来计划 4. 结束语. 大型强子对撞机 LHC 计划的总体情况. 1993年10月美国参众两院联席会议表决停建 SSC ， 1994年圣诞节前夕 CERN 理事会通过了建造 LHC 计划。这一行动强烈反映了欧洲科学家的自信，也给国际高能界带来了希望。

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中国的 LHC 合作 童国梁 中国科学院高能物理研究所 东方科技论坛 （上海） 2005. 6.28-29

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  1. 中国的LHC合作 童国梁 中国科学院高能物理研究所 东方科技论坛 （上海） 2005. 6.28-29

  2. 内容提要 • 1. LHC强子对撞机 • LHC实验计划： • （ATLAS,CMS,LHCb,ALICE) • 3. 中国参加LHC合作的各实验组现状和未来计划 • 4. 结束语

  3. 大型强子对撞机LHC计划的总体情况 1993年10月美国参众两院联席会议表决停建SSC， 1994年圣诞节前夕CERN理事会通过了建造LHC计划。这一行动强烈反映了欧洲科学家的自信，也给国际高能界带来了希望。 欧洲人从SSC的失败中吸取了教训，他们扩大合作、精心设计、精心管理、精心施工，使LHC的投资总额压缩到18亿美元；他们把合作扩大到全世界，当然，也就把实验的负担分摊到了全世界。欧洲人重新站到了实验高能物理的前列。

  4. 超级强子对撞机（LHC）及其实验计划 • 在CERN建造的LHC是当今世界上能量最高的加速器，计划于2007年建成 LHC 主要设计指标

  5. LHC • s = 14 TeV(7 times higher than Tevatron/Fermilab) •  search for new massive particles up to m ~ 5 TeV • Ldesign = 1034 cm-2 s-1 (>102 higher than Tevatron/Fermilab) •  search for rare processes with small s (N = Ls ) pp ATLAS and CMS : pp, general purpose 27 km ring used for e+e- LEP machine in 1989-2000 ALICE : heavy ions Start : Summer 2007 LHCb : pp, B-physics

  6. 25 ns Event rate in ATLAS : N = L x (pp)  109 interactions/s Mostly soft ( low pT ) events Interesting hard (high-pT ) events are rare  very powerful detectors needed

  7. LHC实验－空前范围的国际合作 LHC

  8. LHC实验国际合作的规模：以ATLAS合作组为例 ATLAS Collaboration 34 Countries 151 Institutions 1770 Scientific Authors Longstanding partnership with Chinese teams since the beginning (R&D started in 1990) Albany, Alberta, NIKHEF Amsterdam, Ankara, LAPP Annecy, Argonne NL, Arizona, UT Arlington, Athens, NTU Athens, Baku, IFAE Barcelona, Belgrade, Bergen, Berkeley LBL and UC, Bern, Birmingham, Bonn, Boston, Brandeis, Bratislava/SAS Kosice, Brookhaven NL, Bucharest, Cambridge, Carleton, Casablanca/Rabat, CERN, Chinese Cluster, Chicago, Clermont-Ferrand, Columbia, NBI Copenhagen, Cosenza, INP Cracow, FPNT Cracow, Dortmund, JINR Dubna, Duke, Frascati, Freiburg, Geneva, Genoa, Glasgow, LPSC Grenoble, Technion Haifa, Hampton, Harvard, Heidelberg, Hiroshima, Hiroshima IT, Indiana, Innsbruck, Iowa SU, Irvine UC, Istanbul Bogazici, KEK, Kobe, Kyoto, Kyoto UE, Lancaster, Lecce, Lisbon LIP, Liverpool, Ljubljana, QMW London, RHBNC London, UC London, Lund, UA Madrid, Mainz, Manchester, Mannheim, CPPM Marseille, Massachusetts, MIT, Melbourne, Michigan, Michigan SU, Milano, Minsk NAS, Minsk NCPHEP, Montreal, FIAN Moscow, ITEP Moscow, MEPhI Moscow, MSU Moscow, Munich LMU, MPI Munich, Nagasaki IAS, Naples, Naruto UE, New Mexico, Nijmegen, BINP Novosibirsk, Ohio SU, Okayama, Oklahoma, LAL Orsay, Oslo, Oxford, Paris VI and VII, Pavia, Pennsylvania, Pisa, Pittsburgh, CAS Prague, CU Prague, TU Prague, IHEP Protvino, Ritsumeikan, UFRJ Rio de Janeiro, Rochester, Rome I, Rome II, Rome III, Rutherford Appleton Laboratory, DAPNIA Saclay, Santa Cruz UC, Sheffield, Shinshu, Siegen, Simon Fraser Burnaby, Southern Methodist Dallas, NPI Petersburg, Stockholm, KTH Stockholm, Stony Brook, Sydney, AS Taipei, Tbilisi, Tel Aviv, Thessaloniki, Tokyo ICEPP, Tokyo MU, Tokyo UAT, Toronto, TRIUMF, Tsukuba, Tufts, Udine, Uppsala, Urbana UI, Valencia, UBC Vancouver, Victoria, Washington, Weizmann Rehovot, Wisconsin, Wuppertal, Yale, Yerevan

  9. Physics at LHC • Common Questions • generation of mass • elementary particles => Higgs => Atlas/CMS • composite particles => QGP => Alice confinement • missing symmetries • SuperSymmetry: matter <=> forces => Atlas/CMS • ChiralSymmetry: matter <=> vacuum => Alice QCD mass generationvia broken chiral symmetry (mu,d¹0) • CP Symmetry: matter <=> antimatter => LHCb Different Approaches

  10. ATLAS/CMS物理目标 寻找质量范围在115 < mH < 1000 GeV的标准模型预言的Higgs 波色子 寻找直到TeV质量的标准模型以上的物理(超对称性，q/ compositeness, leptoquarks, W’/Z’, heavy q/, Extra-dimensions, ….) 精密测量 : -- W 质量 -- top质量, 耦合和衰变性质 -- Higgs 质量, 自旋, 耦合 (如果Higgs粒子被找到的话) -- B-physics (作为LHCb补充): CP 破坏, 稀有衰变, B0振荡 -- QCD 喷注截面和 as -- etc. …. 在高密度下研究从强子物质到解囚禁夸克和胶子等离子体的相变（作为 ALICE的补充） 而这种等离子体到强子物质的转变正是大爆炸10-5 s 后宇宙中发生的 Etc. etc. ….. 这些物理目标是LHC实验计划最感兴趣的部分

  11. LHCb 物理目标 -- B-物理(complementing LHCb): CP violation, rare decays, B0 oscillations 弱作用的不对称性，特别是CP破坏，也需要在CKM（Cabbibo-Kobayashi-Maskawa）矩阵结构下弄清楚。CKM矩阵涉及到3个转动角度和1个复数相移，目前的实验对其中的1个角度的测量精度较好，其余的两个角度和相因子的测量精度就很差。标准模型认为某些弱作用过程中的CP不守恒正是归因于这个相因子。CP破坏也被认为是宇宙中物质-反物质不对称的根源。 在高温、高压核物质中寻找被量子色动力学（QCD）预言的新物质相，即夸克-胶子等 离子体。由核物质到夸克-胶子等离子体的相变于1975年就由卡比玻和帕里西提出，此后理论物理学家做了许多工作来研究这种相变。他们估计相变温度为200MeV左右，并得出了初步相图。李政道教授高度评价这个领域的研究，他认为利用相对论性重离子碰撞来研究夸克-胶子等离子体这种新物质形态及其有关的相变特性是未来物理学的一个新的重要方向。相变_再现了大爆炸10-5秒后宇宙中强子物质 所发生的事情。 ALICE 物理目标

  12. ALICE DC III 1级触发率和事例大小

  13. Expected event rates at production in ATLAS at L = 1033 cm-2 s-1 Process Events/s Events for 10 fb-1Total statistics collected at previous machines by ‘07 W e 15 108 104 LEP / 107 Tevatron Z ee 1.5107107 LEP 1107104 Tevatron 1061012–1013109Belle/BaBar ? H m=130 GeV 0.02105 ? 以ATLAS/CMS实验为例，Which physics the first year(s) ? Already in first year, large statistics expected from: -- known SM processes  understand detector and physics at s = 14 TeV -- several New Physics scenarios

  14. H  ZZ(*)  4 ~ 4 years ATLAS ~3 years ~1 year 5  discovery present limit Search for the Higgs boson 比较乐观

  15. ATLAS discovery reach Time reach in squark/gluino mass 1 month ~ 1.3 TeV 1 year ~ 1.8 TeV 3 years ~ 2.5 TeV ultimate up to ~ 3 TeV 寻找超对称粒子和暗物质 This particle (neutralino) is a good candidate for the universe dark matter Neutralino mass can be measured to 10%  SUSY discovery and neutralino mass measurement at LHC can solve problem of universe cold dark matter

  16. 中国科学家参加LHC合作实验情况 • ATLAS 和 CMS • 1999年4月和11月，以国家自然科学基金委员会CERN科学家签订了参加CMS和ATLAS合作实验的谅解备忘录，宣布我国正式参加LHC实验计划。 • 中科院高能所、南京大学、山东大学和中国科技大学以Chinese Cluster名义参加ATLAS合作实验； • 中国CMS组包括中科院高能所和北京大学。中国科技大学参加过CMS晶体方面的研究。 • 中国的ATLAS和CMS合作项目受国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的经费支持。 • LHCb • 2002年10月，清华大学与CERN 签订了参加LHCb的合作实验的谅解备忘录，实验经费由清华大学和国家自然科学基金委联合支持。

  17. 中国组在ATLAS探测器建造中所承担的任务 中国的ATLAS基金项目是由高能所和大学组（包括山东大学、南京大学和中国科学技术大学）共同承担的，经费由国家自然科学基金委和科技部联合支持。1999年9月，基金委和CERN正式签订了中国联合组参加ATLAS探测器建造合作的谅解备忘录。 具体可以分为两个阶段： 第一阶段：2001年底前 高能所承担 子谱仪精密监控漂移管（简称MDT）BEE室（32个）的研制、生产任务；大学组任务，包括： （1） 液氩强子端盖和前向量能器：加工330块铜吸收体，作为端盖量能器的后轮；提供并加工了8,000块钨吸收体（南京大学承担）。 （2）40万道TGC 的电子学ASD检查，并为其建立数据库（中科大承担）。 （3）学习 TGC探测器的制作和性能测量（山东大学承担）。 大学组第一阶段承担的任务已按期完成任务，并受到ATLAS合作同事的称赞。

  18. 第二阶段：2001年底后 高能所的任务未变，大学组决定收缩任务面集中力量生产TGC室（包括相关的电子学工作）。 调整后中国组在探测器建造阶段的主要任务： 建造32个BEE型和16个BIS.8 型MDT管、室（由高能所承担）； 建造400个TGC室（主要由山东大学承担，中国科技大学承担相关的电子学任务）。 此外，应ATLAS合作大组的要求，中国组还承担加工、生产前向量能器钨吸收体（4,400 根钨棒）任务（由南京大学承担）。

  19. Muon Spectrometer Instrumentation Precision chambers: - MDTs in the barrel and end-caps - CSCs at large rapidity for the innermost end-cap stations Trigger chambers: - RPCs in the barrel - TGCs in the end-caps The Muon Spectrometer is instrumented with precision chambers and fast trigger chambers A crucial component to reach the required accuracy is the sophisticated alignment measurement and monitoring system

  20. 高能所(ATLAS合作)承担的任务 独立承担子谱仪可监控漂移管(MDT)探测器BEE和BIS.8室的建造任务，共48个室(由7000支MDT管组成的生产和质量保证/质量控制(QA/QC)测试。预期将于2005年底完成探测器组装任务。 高能 BEE室位于端盖磁铁低温恒温器顶部，用来测量穿过桶部与端盖磁场之间过渡区域(1.6|| 2.0)的子径迹。由于该区域磁场分布复杂，BEE室提供的位置信息十分重要，将使该区域内子动量分辨改善一倍以上。 主要进度：　　　　　　　　　　　　　　　 　2002年9月　　建闰探测器生产线及测试装置　　 　 2003年11月　 完成Module0组装和QC测试 2004年3月　　通过MDT生产基地评审 2005年12月　 完成BEE和BIS8室批量组装 至今已建造5.500支MDT管，28个MDT室,　并运出了17个MDT室

  21. 子谱仪MDT室 用于磁偏转方向的子横动量的精密测量，其性能对ATLAS实验主要物理目标的实现具有特殊的作用。共有1200个室，约370,000支漂移管，由7个国家的14个基地承担建造。 • 指标要求： 室空间分辨 50m • 单管分辨 80 m • 单管的丝定位精度 10 m r.m.s • 室内丝定位精度 20 m r.m.s • 满足LHC实验环境： 在高计数率条件下工作，抗辐射能强， 工作寿命长。 •  主要工作参数： • 混合气体 Ar/CO2 (93/7) • 气压 3 bar • 增益 2104 • 工作电压 3080V • 最大漂移时间 ~ 700ns 结构特点： 每个室由多层漂移管用胶粘接组成 漂移管工作在高气压（3 bar）下 通过光学准直系统监测室的变形 所谓可监控漂移管（MDT）室

  22. The IHEP ATLAS MDT clean room

  23. 山东大学(ATLAS)承担的任务(所有TGC读出电子学由中国科大测试)山东大学(ATLAS)承担的任务(所有TGC读出电子学由中国科大测试) 400 TGCs (L1级触发室) 山东大学负责 400 TGC室的生产。在ATLAS探测器中的位置见右图黑圈所示。 置于ATLAS 谱仪的端盖部分。它主要用来提供μ子的触发信息和粒子的方位角坐标。要求有很好的时间分辨率和位置分辨率。 400TGC室已经全部完成并运出至今

  24. 质量控制 窄隙室的平整度好于0.2mm 石墨板的电阻要求控制在0.5Mohm~1.5Mohm范围 室漏电流小于1A

  25. 中国ATLAS合作TGC研制与生产得到高度评价 ATLAS-MUON 组负责人Giora Mikenberg教授于2004年12月22日对山东大学为ATLAS研制生产的TGC探测器作出了探测器质量的评估报告（见附件）。 报告中指出：“…196个TGC探测器，经过了… 效率扫描检测以及……辐照检测。在这些检测中没有发现过一台探测器的质量低于所要求的质量标准，而且各方面的性能都明显超越”。 在该报告中特别指出：“所有山东大学生产的探测器的“低灵敏区域”都低于1%（规定的质量标准是5%）。相对于ATLAS的其它两个研制基地，日本的KEK（高能物理研究所）以及以色列的Weizmann研究所，….达到如此的高质量，这确实是一个突出的成绩”。 ATLAS负责人Peter Jenni 及日本同行也来函表示祝贺。

  26. 中国CMS组在探测器建造中所承担的任务 高能所承担CSC室 的生产； 北京大学承担RPC室生产 ME1/3 ME1/2 Conclusion IHEP Task: 72 ME1/2 & 72 ME1/3 CSC Assembly &Testing For CMS Endcap Muon System

  27. CMS中国组的任务 • 1.桶部 MDC 高压板 (IHEP), 2003年完成. • 2. 端盖 Muon子 CSC室建造 (IHEP) • 150CSC 室 (阴极条室Cathode Strip Chamber),已全部完成并运至CERN • 制造机械部件（Mechanical parts） • CMS 端盖磁体支架 (IHEP),2000年完成 • 桶部Muon 子支架IB1+IB4 (IHEP), 2004完成 • 大厅地板 (IHEP), 2004交付 • 4. 端盖和桶部的Muon RPC室 (Beijing University) • 5. 参加CMS 的装配 : 2.5 人-年/年

  28. 高能所CMS/CSC FAST Site Long term HV training 3.6KV 2weeks, 3.7KV 2 weeks 3.8KV one month.

  29. CSC FAST 试验装置 Muon 24 scintillators read out at both ends VME/NIM DAQ system Scintillation hodoscope CSC chamber

  30. 北京大学(CMS合作)RPC 装配 和实验了 1/3 桶部的RPC（RB1）、 1/4 端盖 (RPCRE1/2-3)： station Quantity Area Total area bare chamber Grand total RB1 120 5.2m2 624 m2 480 1248 m2 RE1/2-3 144 ~2.0 m2 290 m2 432 580 m2 由于在CMS取得的经验和声誉，美国RHIC-PHENIX的升级中决定和北大合作采用RPC（已经签订合同），北大将负责研制、批量组装、测试、运行的全部技术责任. 我们承担的桶部RPC批量组装测试已经基本完成，端部RPC已完成约一半，质量符合要求。  有把握按时、按质完成好合作任务。

  31. 清华组在LHCb合作中承担的任务 • 清华组参加了LHCb 电子学工作 • Tell1 (+GBE+OTR), 外层径迹室高压卡的测试系统 与 CERN, Lausanne, NIKHEF, Heidelberg 紧密合作取得了显著进展

  32. GBE card on TELL1 • Collaboration with CERN • Design/Test/production One of the versions of GBE designed by Tsinghua members

  33. GBE V5 • GBE Version 5. One pre-series of 20 boards had been produced at Tsinghua University in 2005. • 400 GBE cards in total will be produced and tested at Tsinghua University in 2005.

  34. ORC card on TELL1 • Collaboration with Heidelberg • ~400 ORC board will be produced and tested in Beijing in 2006

  35. 中国科技部和基金委领导参观LHC实验 Visit of Professor Chen Jiaer to the ATLAS experiment pit on 4th April 2002 Visit of Deputy Minister Liu Yanhua to the ATLAS pit on 17th February 2004

  36. 计算环境建设和物理分析准备 • 目前参加LHC合作实验的各中国组承担的探测器建造任务都已接近尾声 • 参加ATLAS、CMS和LHCb的3个LHC合作实验的中国组承担的探测器建造任务有的部分已经完成，有的部分稍晚也将于今年年底或明年年初完成。总体进展顺利。 • 计算环境建设和物理分析准备工作已经开始 • 网格计算环境建设 • 队伍培养与国际合作 • 物理选题准备

  37. 挑战：大海捞针 所有物理过程 Find the Needle in a Haystack 9 个数量级的差别 HIGGS粒子 稀有事例和巨量本底 的混杂

  38. LHC计算需求 LHC计算需求 12－14 PetaBytes/年 LHC刻度、重建、模拟等计算所需的CPU： 100 Million SPECint2000 每年产生的数据：如右图所示

  39. Lab m Uni x CERN Tier 1 grid for a regional group Uni a UK USA Lab a France Tier3 physics department Tier 1 Uni n Tier2 Japan Beijing? CERN Tier 0 Lab b Germany Taipei  Lab c grid for a physics study group Uni y  Uni b  Desktop LCG：The LHC Computing Grid Project • 合作成员 • LHC实验 • Grid 计划：国家和地区中心 • 途径 • 采用网格技术 • 采用“Tier”分级结构 • 主要使用Intel CPU • 主要使用Linux操作系统 • 目标 • 部署计算环境为LHC实验数据分析创造条件

  40. Why Tier-1: Essential for LHC • A Tier-1 is essential for the Chinese physicists involved in LHC experiments.China contributed a lot on building LHC detectors. Physicists need a tool to access and analyze LHC data. • 网络: Gloriad 美－欧－俄－中－美 10Gb/s • No computing, no physics!

  41. Tier-1 in the world Tier1-中国LHC合作实验的规划和期待

  42. 物理分析准备 • ATLAS中国联合组 高能所： 与法国CPPM合作，学生、访问学者互访，合作研究并为我们培养了人才。目前，IHEP ATLAS 软件环境建设和物理课题预选工作已经启动。 • 对ttH物理课题进行了模拟研究：完成了ttH快蒙特卡罗模拟分析，在高能所的机器上基本成功地安装了ATLAS最新软件9.0.3,现可做ATLFAST，产生和模拟作业。也有人对Higgs做初步研究。 山东大学、南京大学：对初步选择Top夸克物理开始作些研究。 中国科技大学：几位在强子对撞实验D0有兴趣的专家正在研究在强子对撞机如何探测R-parity 破坏em 共振中的sneutrino • 物理分析队伍正在逐步成长，最终计划 形成包括14 senior physicists and 6-7 Phd. Students较强的分析组。

  43. ATLAS software releases at IHEP (ATHENA,LCG) 01-02/2005 installed ATHENA 9.0.3 at IHEP lcg002, run successfully ATLAS ttH generation and fast simulation jobs 03-04/2005 installed ATHENA 9.0.4 and 10.0.1 at IHEP lcg002, and 9.0.4 at IHEP lcg003. Both of releases KitValidation checks are OK. run successfully ATLAS ttH full simulation jobs ttH Full simulation at IHEP LCG003 from Dr. LU)

  44. 物理分析准备（续) • 中国CMS合作组 • 在一些专门衰变道中寻找Higgs粒子和超对称性粒子 • 以Bc 和 high-pt J/ 研究作为启动，寻找一些有意义的工作。 • 在研究中，在选取合适的研究课题方面与中国的理论家密切合作。 • 熟练使用网格计算方式。 • 在研究工作中逐步建立较强的数据分析队伍。

  45. HVV anomalous coupling • H: Higgs VV: ZZ or WW, qqVV final states • Goal: To study the HVV coupling property, to verify • the Higgs observed belongs to SM or not

  46. 物理分析准备（续) • 中国LHCb组 • 继续工作在软件、 Bc、 b, 并参与在CP 破坏研究方面的挑战. • 与其他LHC实验分享计算设施，清华将从计算科学专业队伍中派人参与LHCb的工作。

  47. 结束语 • 中国已参加的3个LHC实验所承担的探测器建造任务总体进展顺利，可望于今年年底或稍晚时候全部完成。 • LHC上的合作实验正转向新阶段。软件发展、计算环境建设和物理分析准备已经走向前台，人力、经费和进度表已进行了计划。 • 为LHC国际合作实验设计的中国的网格计算(Grid)计划对于开展LHC物理研究是必不可少的。

  48. 结束语(续) • 中国科学家对于 LHC实验的数据分析已有一定的基础和良好的潜力，但需要得到适当的支持。 • 和探测器建造阶段一样，物理分析阶段的财经支持需要尽快解决。这种支持应该由NSFC，MOST,CAS 和 MOE 联合实施。 • 谢谢！

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