ATLAS 前後方ミューオントリガーシステム Sector Logic 及び オンラインソフトウェアの開発

1. ATLAS前後方ミューオントリガーシステムSector Logic 及び オンラインソフトウェアの開発 修士論文発表会　2008年2月20日 神戸大学　自然科学研究科　物理学専攻 粒子物理研究室 　 062S108N 門坂　拓哉

2. イントロダクション ATLAS検出器の前後方ミューオントリガー システム（TGCシステム）の構築に本研究室 も参加してきた。 今回、 TGCシステムの一部である Sector Logicの 量産、 TGCシステムへの組み入れ を目的に開発を行った。

3. 目次 • LHCとATLAS実験 • TGC (Thin Gap Chamber) システム • Sector Logicの開発 • Sector Logic量産・インストール。 • ATLAS宇宙線コミッショニング(動作検証)におけるSector Logicの機能検証 • まとめ

4. 1. LHCとATLAS実験

5. LHC(Large Hadron Collider)とは • 世界最高エネルギー : 重心系 14TeV (陽子ビーム : 7TeV ＋7TeV) • 衝突頻度 : 40MHz (25nsec) 2008年夏に稼動!! 100m 周長 27km

6. ATLAS実験とは LHCの衝突点の1つにおかれるのが汎用検出器がATLASである。 目的：Higgs粒子、超対称性粒子(SUSY粒子)などの 　　　　新粒子探索。 ATLAS検出器

7. Y Z X ATLAS検出器 電磁カロリメータ トロイド磁石 ハドロンカロリメータ 衝突点 R 陽子ビーム Φ 25m 陽子ビーム C-Side Barrel 44m A-Side 内部飛跡検出器 ミューオンシステム ソレノイド磁石 TGCシステム etc..

8. ミューオンシステムとは TGC：前後方部のトリガー用チェンバー RPC：胴体部のトリガー用チェンバー MDT：ミューオン運動量精密測定用チェンバー Toroidal Magnetic Field

9. Level1 < 75kHz <2.5ms Level2 < ~2kHz ~ 10 ms ATLAS検出器でのトリガー Interaction rate ~ １GHz ATLASでの高頻度なイベントを 逃すことなく処理するシステムが 必要。 3段階のトリガー(LVL1、LVL2、 EF)を用いて順次イベントレート を落としていく。 LVL1はミューオントリガーシス テムとカロリメータの情報を用い たトリガー。 LVL1のミューオントリガーシステムの一部 がTGCシステム。 Event Filter < ~200Hz ~ 1sec

10. 2. TGC (Thin Gap Chamber)システム

11. TGCシステムとは TGC(Thin Gap Chamber)でミューオンの位置・時間情報を測定。 TGC＋TGCからの信号を処理する回路群TGCエレクトロニクス トリガーを出力 TGC On TGC Big Wheel edge Counting Room M１ 　M2M3 VME crate PS-Board ASD Trigger Sector Logic SLB ASIC CTP HPT wire PP 3/4 Coin. Readout HPT strip PP DCS-PS SSW ASD Doublet Readout SLB ASIC PP ROB 2/3 Coin. Readout ROD SSW PP Triplet DCS-PS CTP TTC DCS LCS CLK, L1A etc…

12. TGCの配置 • ATLAS前後方(A-Side、C-Side) - M1、M2、M3のビッグウィールから構成される • 総チャンネル数　30万～ M1 M2 M3 Y Z 衝突点

13. MWPCの一種 ガス CO2 / n-pentane(55:45) 印加電圧 : 2.9kV 二次元読み出し (ワイヤー: R方向、ストリップ : φ方向) TGC ・ワイヤー間隔：1.8mm →ドリフト時間を短くする 時間分解能(25ns以下) ・アノード・カソード間隔：1.4mm →陽イオンが早くカソードへ到達 高レート耐性：1kHz/cm2 17 ～41 T7 1365 1245 トリガーチェンバー →検出効率99% 1200 単位：ｍｍ

14. ATLAS PIT TGCエレクトロニクス Counting Room

15. TGCエレクトロニクス・トリガー系 On TGC Big Wheel edge Counting Room M１ 　M2M3 TGC VME crate PS-Board Trigger ASD Sector Logic SLB ASIC HPT wire PP 3/4 Coin. Readout HPT strip PP DCS-PS SSW ASD Doublet SLB ASIC PP 2/3 Coin. Readout ROD SSW PP Triplet DCS-PS TTC CLKetc…

16. ASD TGCエレクトロニクス・トリガー系 On TGC Big Wheel edge Counting Room M１ 　M2M3 TGC VME crate PS-Board Trigger ASD Sector Logic SLB ASIC HPT wire PP 3/4 Coin. Readout HPT strip PP DCS-PS SSW ASD Doublet SLB ASIC PP 2/3 Coin. Readout ROD SSW PP Triplet DCS-PS TTC CLKetc… TGC

17. On TGC Big Wheel edge Counting Room M１ 　M2M3 TGC VME crate PSB Trigger ASD Sector Logic SLB ASIC HPT wire PP 3/4 Coin. Readout HPT strip PP DCS-PS SSW ASD Doublet SLB ASIC PP 2/3 Coin. Readout ROD SSW PP Triplet DCS-PS TTC CLKetc… TGCエレクトロニクス・トリガー系 HPT PSB SL

18. ストリップ・ワイヤー(R・Φ)情報のコインシデンスストリップ・ワイヤー(R・Φ)情報のコインシデンス On TGC M2・M3の4層でコインシデンス Big Wheel edge Counting Room M１ 　M2M3 TGC VME crate PSB Trigger ASD Sector Logic SLB ASIC HPT wire PP 3/4 Coin. Readout HPT strip PP DCS-PS SLB ASIC SSW 2/3 Coin. Readout ASD ROD Doublet SSW M1とM2・M3でのコインシデンス SLB ASIC PP DCS-PS 2/3 Coin. Readout ROD SSW TTC PP Triplet DCS-PS M１のワイヤ3層、ストリップ2層でコインシデンス CLKetc… TTC 2層 3層 CLKetc… TGCエレクトロニクス・トリガー系 3層 4層(2層＋2層)

19. Y Z ΔR ΔΦ ミューオントラック 無限運動量トラック TGCエレクトロニクス・トリガー系 R・ΦコインシデンスとともにΔR・ΔΦからPt(横運動量)を決定。 On TGC Big Wheel edge Counting Room M１ 　M2M3 TGC VME crate PS-Board Trigger ASD Sector Logic SLB ASIC HPT wire PP 3/4 Coin. Readout HPT strip PP DCS-PS SSW ASD M2 M3 Doublet TGC M1 SLB ASIC PP 2/3 Coin. Readout Toroidal Magnetic Field ROD Low-Pt SSW PP Triplet DCS-PS M１のワイヤ3層、ストリップ2層でコインシデンス TTC CLKetc… High-Pt ビーム衝突点 無限運動量トラック

20. TGCエレクトロニクス・リードアウト系 On TGC Big Wheel edge Counting Room M１ 　M2M3 VME crate TGC PS-Board ASD Sector Logic SLB ASIC HPT wire PP 3/4 Coin. Readout HPT strip PP DCS-PS SSW ASD Doublet Readout SLB ASIC PP ROB 2/3 Coin. Readout ROD SSW PP Triplet DCS-PS CTP TTC DCS LCS CLK, L1A etc…

21. On TGC Big Wheel edge Counting Room M１ 　M2M3 VME crate TGC PS-Board ASD Sector Logic SLB ASIC HPT wire PP 3/4 Coin. Readout HPT strip PP DCS-PS SSW ASD Doublet Readout SLB ASIC PP ROB 2/3 Coin. Readout ROD SSW PP Triplet DCS-PS CTP TTC DCS LCS CLK, L1A etc… SL TGCエレクトロニクス・リードアウト系 PSB ROD SSW TGC

22. 3. Sector Logicの開発

23. ΔR 6GeV 10GeV 20GeV 15 無限運動量 0 ΔΦ -15 -7 0 7 Sector Logicとは R-Φコインシデンス： • TGCのワイヤーとストリップからの 　　信号をコインシデンス処理。 • ΔR、ΔΦからPt(横運動量)を6段階(1-6)で決定する。 特徴 • 40MHzに同期して、デッドタイムレスで動作。 • 処理時間はいつも一定。 • ６段階のPtは、条件により自由に変更。 → 　パイプライン処理を使用し、処理時間を一定に保つ。 →　書き換え可能なICであるFPGA (Field Programmable Gate Array)や CPLD(Complex Programmable Logic Device)を採用。 →　Pt の決定にLUT (Look-Up-Table)を使用する。

24. Sector Logic基板 Sector Logic Endcap Board • Sector Logic FPGA 　　トリガー論理を実装するFPGA。 • Glink Monitor FPGA HPTからのGlinkプロトコル入力の状態を監視する回路を実装するFPGA。 • VME Access CPLD VMEのマスターモジュールとSLボードの通信を担い、各FPGAとのアクセスを可能にする回路が実装されるCPLDである。 • SLB ASIC SLが出力するトリガー情報とHPTからの入力の読み出しを行う。 HPT入力 VME インタフェース トリガー出力 リードアウト出力 Endcap ボード

25. HDL記述 わずか～10分で 回路が完成 論理合成 配置配線 FPGAに実装 HDL(Hardware Description Language)での論理回路設計 FPGA・CPLDの回路設計はHDLを用いて行った。 • 記述した文から論理合成ツールで論理回路へと変換される。 • C言語に似た文法。 • 機能単位で記述。 • コードから論理回路へは～10分で完成。 　　　（ASICの開発期間は数ヶ月！）

26. R-Φコインシデンス パイプライン処理 Sector Logic FPGA内部設計 機能ブロック単位でHDL記述 パイプライン処理であり、各機能の処理時間が一定(合計6CLK) LUTはFPGA内のBlock RAMに実装。 今回新たに追加した機能

27. 4. Sector Logic量産・インストール

28. Sector Logic量産・量産品検査 テストベンチの構築 Endcapボード ： 55枚量産 Forwardボード ： 28枚量産 Endcap ボード Forward ボード

29. トリガー系動作試験のセットアップ Sector Logic量産・量産品検査 テストベンチの構築 Endcapボード ： 55枚量産 Forwardボード ： 28枚量産 VMEテストモジュール、NIMモジュール、ケーブル、クレート、オシロスコープなどから構築。

30. Sector Logic量産・量産品検査 Endcapボード ： 55枚量産 Forwardボード ： 28枚量産 テストベンチの構築 手順 25分 ICのコンフィギュレーション 検査時間：約50分 / ボード コントロール系の動作試験 10分 Glink Monitor 機能検証 NIM出力試験 15分 TTCからの入力受信試験 トリガー系の動作試験 リードアウト系の動作試験 結果 インストールへ!!

31. インストール SLをCounting Roomに インストールした。 地上 100m先のHPTから光ファイバー(オレンジ色) で1秒当たり1Gbitの信号がやってくる。 SL 地下100m ビームライン

32. 5. ATLAS宇宙線コミッショニング(動作検証)におけるSector Logicの検証

33. ATLAS宇宙線コミッショニングとは 宇宙線コミッショニング：ATLAS検出器で宇宙線を捕らえ、各検出器を 　　　　　　　　　　　　　　　統合運転し、動作検証をおこなう。 TGCも参加！ 2007年 6月 M3 Run M4 Run 9月 10月 P1 Run M5 Run 11月 P2 Run 12月 Event Display

34. TGCパラメータ TGCのコミッショニング P2 RunにおいてA-Side、C-Sideそれぞれ3セクターを運転。 宇宙線を捕らえるためにトリガー条件の変更 →M3のワイヤー2層での2 out of 2 SLの機能検証へ！

35. Sector Logicの検証(1) コンフィギュレーション検証 コンフィギュレーション：数万回のVMEアクセスでFPGAに回路の 　　　　　　　　　　　　設計データを入力させる。 　　　　　　　　　→失敗が頻繁に起こる。 VME Access CPLD でデータ制御線の1つが正しく扱われておらず、 VMEプロトコルに違反していた。 これを、HDLコードを修正しVMEプロトコル準拠とした。 Glink Monitor 検証 コミッショニング中にSLのトリガー出力のレートが20MHzと異常に 高くなるという現象がみられた。 調査の結果、Glink Monitor FPGAが正しくGlink受信ICを制御 できていないことが確認された。 HDLコードを修正し、問題を解決した。

36. Sector Logicの検証(2) トリガー検証 C09セクターで0.15％のトリガー失敗が見られた。 Sector Logicから読み出したHPTの入力情報にありえない 無効なデータを発見。 入力データの遷移とデータ取得のタイミングが重なっている？ 監視するシステムが必要。 図：ΔRの分布。右が正しいデータ、左が無効なデータを含む

37. Sector Logicの検証(3) データ検証 A10 Sector / Endcap / Wire PSBOutput R HPT Output SL Output TGCシステムでトリガーできた！

38. トリガーレート (Hz) トリガーレート 最終的に、TGCシステムを安定的に動作させることに成功。 図：トリガーレート。縦軸がトリガーレート横軸が時間。 Sector Logicが正しく機能し、トリガーを出力！！

39. 6.まとめ Sector Logicに関して、 • HDLでの論理回路設計 • 量産品検査システムの構築、検査 • インストール を行い。ATLAS検出器の一部として動作させた。 コミッショニングにおいて、SLから読み出した データの解析になどで、いくつか不具合を発見 することができた。

40. Ｂｃｋ Back up

41. LHCパラメータ

42. シンクロトロン加速器 • 最大エネルギーは、 　軌道半径Ｒと双極磁石の強さＢで決まる • 高エネルギーを得るには 　半径Ｒを大きく　 磁場Ｂを強く • 円運動している荷電粒子はシンクロトロン放射によってエネルギーを失う （１周あたりのエネルギー損失）

43. ルミノシティ（輝度） • 断面積σをもつ反応が起こるレートは Point-like particleの反応断面積は 　高エネルギー実験では、高ルミノシティが要求される • 衝突型加速器のルミノシティ f: collision frequency [sec－１] n: number of particles in each bunch σx,σy: beam size [cm] バンチ数　大　　 カレント　大 ビームサイズ　小

44. 電磁シャワー • γの反応 • Photo-electric effect : γ + atom → e－+ atom+ • Compton：　 γ+ e－ → γ+ e－ • Pair-Production : γ (+ Z) → e＋+ e－

45. ATLAS測定器の最外部にミューオン検出器が設置される。ATLAS測定器の最外部にミューオン検出器が設置される。 • ミューオン ⇒ 透過力大 質量 105.6MeV (cf. 電子　0.511MeV)