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修士論文発表会 大型ハドロン加速器実験用 m 粒子検出器の動作検証

修士論文発表会 大型ハドロン加速器実験用 m 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. 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. f 22m. 衝突周期 25ns. p. p. 7TeV 陽子. √s = 14TeV. 7TeV 陽子. L = 27km. LHC 加速器. 44m. 探索ストラテジー.

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修士論文発表会 大型ハドロン加速器実験用 m 粒子検出器の動作検証

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  1. 修士論文発表会大型ハドロン加速器実験用m粒子検出器の動作検証修士論文発表会大型ハドロン加速器実験用m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

  2. 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 f22m 衝突周期25ns p p 7TeV 陽子 √s = 14TeV 7TeV 陽子 L =27km LHC加速器 44m • 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 • 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 • 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

  3. イントロダクション(2) μ粒子トリガー検出器 μ粒子トリガー検出器 ATLAS検出器 断面図 m p n n エンドキャップ部 ハドロンカロリメータ e g バレル部 電磁カロリメータ ソレノイドマグネット 薄ギャップチェンバー[TGC( Thin Gap Chamber ) ] の動作研究を行う 飛跡検出器

  4. イントロダクション(3)TGC検出器 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 ホイール f22m • ガス増幅率106 • 限定的比例領域 • タイムジッター< 25ns • CO2 + n-pentane f μ R トロイド磁場 3/4 coin 2/3 coin 衝突点 TGC2 TGC3 TGC1 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

  5. 本研究の目的とTGCの実験段階 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

  6. 地上動作試験(0) TGCエレクトロニクス 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 Buffer μ SLB LHCクロック(40MHz) 読出し ASD データ保持(~3.2μs) PP コインシデンス TTC HV PSボード エレキハット PSボード 10m 100m ASD PP(Patch Panel) ASIC LHCクロック(40MHz)に同期 SLB(SLave Board) ASIC ①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 ASD(Amplifier Shaper Discriminator) アナログデジタル TTC(Trigger&Timing Control) トリガー配布

  7. 地上動作試験(1) 測定項目 SLB LHCクロック(40MHz) μ Buffer 読出し ASD データ保持(~3.2μs) HV PP コインシデンス TTC ①ケーブル接続 (ASDPS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 試験単位 1/12セクター 宇宙線 テストパルス、宇宙線試験の手法を確立 チェンバー応答のテスト チェンバー以降のテスト Strip (φ) T9 T8 T2 T7 T6 T5 Wire (R)

  8. 地上動作試験(2) テストパルス試験 [セットアップ] 約100Hzで トリガー発行 μ SLB LHCクロック(40MHz) Buffer 読出し ASD データ保持(~3.2μs) PP コインシデンス TTC HV テストパルス発行 # of event # of event # of event 16チャンネル (ASD1つ分) チャンネル チャンネル チャンネル 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) ASDPSボード間の ケーブル接続ミス  テストパルスでスピーディに基本的動作の確認

  9. 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 SLB Buffer LHCクロック(40MHz) μ 読出し セルフトリガー ASD データ保持(~3.2μs) HV ガス PP コインシデンス TTC ①欠損チャンネルの発見 • ②HVケーブル線の誤接続の発見 1層目 (HV on) 1層目 (HV on) トリガー トリガー OR 2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 AND

  10. 地上動作試験(4) 宇宙線試験結果 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 Chamber境界 strip T2 T9 T7 T8 T5 T6 Wire • 典型的なヒット分布 Wire T8 T9 T6 T7 T5 Wire ch Chamber境界 Strip T9 T5 T6 T7 T8 Strip ch

  11. 地上動作試験(5) 宇宙線試験結果 コインシデンスあり, HV 2800V T5 T7 T8 T9 T6 # of event 欠けチャンネル発見 Wire ch コインシデンスなし, 1層目だけHV 2800V TGC3, 1層目 HV 2800V 正しいprofile # of event TGC3, 1層目 HV 2800V # of event Wire ch Wire ch TGC3,2層目, HV off Chamber単位でswap HV線のswap発見！ # of event TGC3,2層目, HV off # of event Wire ch Wire ch T6 T7 T8 T9 T5

  12. 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 欠陥箇所：全体の6% (6608チャンネル) 全て修復！ • 欠損チャンネル 全てのエレクトロニクスの正常動作に成功 対処しなければ欠損になっていた6%の機能を回復 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

  13. 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 C A C09/A10  TGC1,2,3 その他  TGC1 地下への実装

  14. TGCの実験段階

  15. 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

  16. 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 OK A09/A10/A11 # of event C09/C10/C11 T5 T6 T7 T8 T9 C A 地上 Consistent! 地下 Strip channel

  17. 動作検証(2) 欠損チャンネルの把握 • 　新しく発見した欠損チャンネル # of event T5 T6 T7 T8 T9 地上 地下 wire channel 地上から地下への輸送過程で生じたと考えられる 地下における動作検証 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

  18. 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) ? ? A09/A10/A11 C09/C10/C11 L1 L2 L3 C A L2 L1 L3 μ 5~10%

  19. 動作検証(4) 検出効率 • 現在のデータ取得環境 • HV ： 2800V • ガス ： CO2 100% • 閾値電圧 ： 100mV CO2 : n-pentane 55 : 45 検出電荷量(pC) CO2 100% 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) 　印加電圧 (kV) 閾値電圧100mVでは、  5~10 %の検出効率に相当妥当 2.3 2.5 2.7 2.9 3.1 3.3 3.5 3.7 検出効率(%) ②本実験で十分な効率が得られるか? Vth=100mV CO2+nペンタン =55:45 • 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 3.0 3.2 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.1 Supplied voltage (kV) 　　　印加電圧 (kV)

  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% (CO2100% 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

  21. Back up

  22. μ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

  23. 標高差の補正 印加電圧 v.s. 検出電荷量 標高差の補正： KEK(32m), CERN(421m) 印加電圧 v.s. 検出効率 (CO2 + n-pentane) 2.9kV(KEK) = 2.8kV(CERN) 検出効率10%は現環境下で妥当  本番2.9kV印加時で100%可能

  24. 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)

  25. Some figures

  26. トリガー効率と検出効率の関係 efficiency high-Pt trigger eff. MU 10 MU20 MU40 • 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。

  27. 動作検証(3) 検出効率 • 検出効率 ( L2 ) = #(L1& L2 & L3) / #(L1 & L3) μ Dch(L1-L3) ? ? L1&L3でトリガーがかかった事象 Δch L1 L2 L3 L1&L2&L3にヒットがあった事象 L2 L1 L3 ※Δch(L1-L3)=0,1のみ 論理的にトリガー可能 黒に対する赤のヒストグラムで検出効率を算出  約10%

  28. カロリメータ どの領域においても10X程度のinteraction length で十分に阻止可能

  29. 使用チェンバー

  30. TGCの内部構造

  31. ATLAS地下

  32. SLBバッファの読み出し • 3 neighboring BC data was taken from SLB buffer •  previous, current, next トリガー SLB Buffer next current previous Read out

  33. TGCの配置

  34. μ粒子トリガーの威力

  35. 宇宙線のトリガーレート 上空から見た有効面積は 2.5cm * 10m = 2.5m^2 Δch μ

  36. 閾値電圧適正化

  37. ウインドウサイズ 5~20cm程度

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