大型計画 HL-LHC の論点

1. 大型計画HL-LHCの論点 2012年11月29日 素核研運営会議 徳宿克夫

2. なぜHL-LHCか？ • LHCは今後10年以上にわたって唯一のEnergy Frontier加速器 • LHCの衝突点収束系磁石と、実験のInner trackerは300-500fb-1のデータ収集後、放射能損傷によって寿命を迎える。（2020年代前半） • 積分ルミノシティ1000-3000fb-1の物理をやるにはupgradeが必要。 • どうせなら3000fb-1を目指そう。クラブ空洞を入れて5x1034cm-2s-1でのluminosity leveling による運転。(実験グループにとっても闇雲にLumiを上げるよりは楽:　それでもNint =100) • この環境でも、現在以上のパフォーマンスを持つ測定器がほしい。 日本が貢献したビーム収束磁石 アトラス測定器の模式図 2008年に測定器が完成し2009年から衝突実験が始まっている。

3. 1000-3000fb-1の物理 • Higgsの精密測定 • もし2015年からの13TeVランでBSM新粒子が発見されれば、 • その性質測定、さらなる探査 • 発見されなければ • Kinematic limitギリギリまでの探索。 　　　陽子PDF 　　　　→　高いエネルギーのパートンは非常に少ない 　　　　→　高統計が必要

4. Higgsの精密測定　　　（非常にconservativeな見積）Higgsの精密測定　　　（非常にconservativeな見積） • κγ/κZ tested at 2% • ggloop (BSM) κt/κg at 7-12% • 2nd generation ferm. κμ/κZ at 8%

5. Higgsの精密測定　 H→μμ H→γγ UniversalKV、KFnoBSMの仮定なら

6. BSM HL-LHC リーチ • 3TeV squarks2.5TeV gluinos • 300fb-1よりも　400 GeV進める

7. 何をやるか基本的な考え方 • 加速器 • とりあえずKEKが貢献出来るところをやる（今回の見積） • ただし、HL-LHCに対する日本のシェア等を考えるとそれ以上の貢献が求められる可能性もある。（例えば日本企業の優れた製品をIn kind供給とか　→　今後の議論だが早めに固める必要があるか？ • 測定器 • これまで責任をもっていたところはきちんと責任を持つ　（MuonTrigger、SiliconStrip） • 技術的な興味と日本の得意分野での貢献（Pixel） • 小規模だがさらなる拡張（CAL/Track Trigger) • ATLASでは、建設当時のシェア程度の貢献を求められるので、必要な金額は既にほぼ決まっている。 • 計算機 • HL-LHCにというよりは、恒常的にアップグレードが必要なので、大型計画には加えない。（つまり、東大のTier2関連はとりあえず含めない）

8. 計画表 補修 補修 14TeV運転 補修 13-14TeV運転 LHC運転 2013 2023 2014 2024 2015 2025 2026 2016 2017 2027 2028 2018 2029 2019 2030 2020 2021 2031 2022 2032 建設 設置 加速器建設 前段加速器整備 設置 建設 設計・開発 収束磁石 設置 技術協力 クラブ空洞 測定器建設 設置 設計・開発 建設 飛跡検出器 建設 設置 部分設置 設計・開発 ミューオン 建設 設置 設計・開発 その他のトリガー HL-LHC運転 実験遂行（3年に1度ぐらいで長期補修がある見込み） 10年間で積分ルミノシティ3000fb-1をめざす。 　（運転経費2億円/年　程度＊）　　　＊現在通り、加速器の運転経費を払わないと仮定

9. HL-LHC加速器への貢献（１）（磁石） LHC建設の際に日米で協力開発・建設した衝突点最終収束部の磁石を交換し、 より大口径でより耐放射線の高いシステムとして、高輝度化に対応する。 以下のような開発研究が進行しており、この計画ではＤ１磁石を日本が担当すると 想定して算出している。 • EC FP7-HiLumi LHCへKEKは公式に参加（2011~2015） • 加速器のビーム光学、磁石、クラブ空洞、その他の概念設計、基礎開発 • KEKの開発分担（磁石）：ビーム分離用大口径超伝導双極磁石（D1） • D1の仕様、開発要素 • 6T級＋大口径（φ130~150）＋外径の制限 →コイル応力、磁場精度（鉄の飽和、漏れ磁場） • 大量の放射線、入熱（1022n/m2, 数10MGy,~100W）@3000fb-1 →耐放射線性材料の開発・評価、冷却・除熱性能の向上 • NbTi超伝導線が最有力（バックアップNb3Sn） • 頭脳循環プログラム（代表・徳宿教授）により徐が2011年3月からCERNで概念設計を開始。 ATLAS、CMSのビーム最終収束部を交換 衝突点 D1: KEK Q1-3: US-LARP(Nb3Sn) or CERN(NbTi) D2: BNL Q4-6: CEA/Saclay 現行LHCビーム最終収束部磁石配置とHL-LHCでの磁石開発分担 現在検討中のD1磁石断面

10. HL-LHC加速器への貢献（2）（PSB空洞用アンプ）HL-LHC加速器への貢献（2）（PSB空洞用アンプ） J-PARCで開発した金属磁性体合金を使った高周波加速空洞は、ルミノシティ向上を目指すためのLHC入射器アップグレード計画の一環として、LHCにビームを入射するための前段加速器で採用されることとなった。特に最初の円形加速器であるＰＳブースター（ＰＳＢ）の改造の中心項目となっている。試作した空洞がすでにリングに設置され、ビームを使った最終確認試験が進んでいる。J-PARCでの経験を活かした空洞技術協力とともに、高周波用の低故障率で高出力半導体アンプの開発供与を行う。 設置直前の５連空洞とアンプ５台(手前）。今回の概算要求では４階建てのリングに必要な数の半分にあたるアンプ４０台製造する。残りはセルン側で制作する。 金属磁性体空洞の中身。５つの空洞で構成され、各空洞に２枚ずつ磁性体リングコアが装填されている PSBリング４（４台のリングのうちの最上段）に設置された金属磁性体空洞。既に実際のビームを使った加速試験、ビーム負荷試験が進行している。

11. HL-LHC加速器への貢献（3）（クラブ空洞） 瞬間輝度を常に最大にすることを目指すのではなく、輝度を一定期間一定に保つことができれば、実験の条件を一定にしたうえでビームの寿命を長くすることができ、積分のルミノシティを多くできることがわかっている。日本がＫＥＫＢ加速器で実用化したクラブ空洞により、衝突時のビームの衝突時の角度を変えることで、瞬間輝度を制御する。どれだけ貢献するかは今後の議論によるが、日本が実機制作に関与する可能性は低い。ＫＥＫＢでの経験をもとに、表面処理、ＫＥＫの施設を使った低温での空洞試験など技術協力を検討中。さらに、シミュレーションによるビーム軌道安定性の研究等での協力も検討する。 KEKの加速空洞用の電解研磨装置 クラブ空洞を使ってバンチの向きを変えることにより衝突輝度を上げることができる。LHCでは、ビーム強度が少なくなったときに角度をつけていくことで、ルミノシティーを長時間一定に保ち、積分ルミノシティを高くできる。 KEKB用のクラブ空洞

12. アトラス実験（１）　内部飛跡検出器の総入替アトラス実験（１）　内部飛跡検出器の総入替 HL-LHCでは、瞬間輝度は5×1034cm-1s-1となり、一度のバンチ衝突では100以上の陽子・陽子衝突が重なり、大量の粒子が発生する。精密測定を進めるためには、このような状況でもそれぞれの衝突を分離でき、個々の荷電粒子の運動量を精度よく測れるように、現在のアトラスの飛跡検出器の総入替を行う。すべてをシリコン検出器にし、ストリップ型及びピクセル型の検出器をそれぞれ160ｍ2、6ｍ2という大規模な延べ面積分製作する必要がある。日本グループは、これまでアトラス実験の中でＳＣＴ，ＩＢＬという半導体検出器を担当してきた実績を活かして、ストリップ型、ピクセル型の両方の製作に貢献する。 すでに、ストリップ型、ピクセル型ともに、プロトタイプ開発を進めており、高耐放射線のシリコンセンサーの製作には目途がついている。最初の数年で、読み出しのASICを接続したシステムテストを続け、2016年から約5年かけて実機の製作に入る。2011年に完成させて宇宙線等でのテストをしたうえで、2012年にアトラス実験装置の内部に組み込む。 ピクセル検出器 飛跡検出器のレイアウト案 （外側がストリップ型検出器） ストリップ型検出器の試作機 後方は8モジュールを組合せたテスト機 10cm HL-LHCでの事象シミュレーション。115事象が重なっている

13. アトラス実験（２）　ミューオントリガーシステムの改良アトラス実験（２）　ミューオントリガーシステムの改良 Middle MDT (BW) Outer MDT Inner MDT m 日本グループはアトラス測定器の端部ミューオンシステムをイスラエル・中国とともに建設し、それをもとにミューオントリガーシステムを構築した。 HL-LHCの高ルミノシティ環境では、衝突からくるミューオンが増加するので、より高運動量分解能を持ったトリガーシステムが必要となる。また、反応粒子数の増加とともに偽のトリガーが出る頻度を極力抑える必要がある。 このために新たに内部に設置するミューオン検出器を取り込んで総合的にミューオン粒子の有無を判断するトリガーシステムを開発する。2018年のLHC改造期に合わせて、まずこの総合システムを導入して、偽のトリガーの頻度を押さえる。 その後、より位置分解能の高いミューオン測定器［ドリフトチューブ型測定器（ＭＤＴ）]の情報を取り込んだシステムを構築し運動量分解能の改善を図り、2022年に設置する。 高分解能のミューオン検出器を総合したトリガーシステムの概念図 2018年に交換する内部ミューオン検出器 日本グループが建設したトリガー用の端部ミューオン測定器

14. アトラス実験（３）　後段トリガーの整備 ミューオントリガーで収集されたデータをそのまま記録するにはまだ事象頻度が高すぎる（約数10kHz)ため、他の測定器の情報も使って、収集したデータを精査し、偽のミューオンや運動量を間違って見積もってしまったミューオンなどを排除して、記録可能な頻度（約1kHz）まで落とす。これが後段トリガーの役割である。 これには、大規模なネットワークと計算機を配備したコンピュータファームによる方法と、特殊なハードウェア計算機システムによる方法との2通りが考えられ、現在のアトラス実験でも両方を混用して使っている。特殊なハードウェアの例としては、現在早稲田大学が中心になって行っている、内部飛跡検出器を使ったトラッキング専用システムなどがある。 アップグレードにおいても、両方の手法が議論されており、ミューオンのトリガーに関して言えば、内部飛跡検出器とのマッチングやカロリメータとのマッチングなどを検討している。 ハードウェア開発は、プロトタイプを2018年のLHC改造期に合わせて部分的に導入し、性能を確認したうえで、2022年に設置する。計算機ファームは、設計と小規模システムでテストした後、実験開始の二年前の2021－2022年に一気に導入設置をすることで、その時点での最新の計算機を使えるようにする。どちらにウェイトを置くかは今後数年間の開発研究によって決まる。 カロリメータトリガーの専用ハードウェアの模式図。この後にミューオンの情報とカロリメータの情報を組合せる回路をおく可能性を検討する。 高分内部飛跡検出器の情報からトラックの情報を取り出す専用ハードウェアの開発基板

15. 年次計画 アップグレードための加速器・測定器建設と並行して、現在のＬＨＣでの実験が並行して進む。この分に必要な経費は年間2億間であるので、それを最後の欄の「アトラス実験運転」で示してある。

16. 参考資料：LHCとその前段入射加速器 LHC ATLAS実験 設置場所 SPS PSブースター PS LINAC4 建設中（2018年） 使用開始

17. 参考資料: LHC/ATLAS 改造総額 注：　加速器の建設・改造経費に関してはまだＣＥＲＮは公開しておらず、 内部文書を基に作成。今後大きく変わる可能性がある。 LHC Peformance improving consolidation と　Performance upgradeの区別は あまり明確に公表されていないが、収束磁石は前者、クラブ空洞は後者に 該当すると考えられる。