1174■ 研究紹介ATLAS・TRT 検出器と LHC-Run2 運転回顧録
東京大学 (執筆時: ペンシルバニア大学)

陳 詩遠shion.chen@cern.ch

2022 年 (令和 4 年) 2 月 10 日

1

あらまし

CERN の Large Hadron Collider (LHC) で行われている ATLAS 実験に Transition Radiation Tracker (TRT)という検出器がある。ATLAS の最内層にある飛跡検出

器群の一番外側に位置しており (図 1), 超高レート環境

なのにガスドリフトチェンバー, かつ遷移放射を使って粒子識別も同時に行うという欲張りファンキー検出器であるが, 比較的小さなチーム規模とやや特殊なテクノロ
ジーゆえ他の検出器コミュニティーとの交流が薄く, あ

まり実態が知られていない。私は 2017 年にペンシルバ

ニア大学のポスドクとして着任してから TRT の DAQに参加し, 2019 年から責任者として運転・アップグレードに携わってきた。この度お勤めが終了し CERN から撤退するにあたり感傷に浸っていたところ紹介記事の執筆のお誘いをいただいた。日本の研究機関が参加していないため日本では特に馴染みの薄い検出器であるがゆえ, せっかくなのでこの機会に皆様にこの謎の検出器とその運転の顛末を審らかにしようと思う。お付き合いいただければ幸いである。

TRT とは

2
2.1

検出原理

最小の検出器ユニットは直径 4 mm のストローである (図 2 左)。中央に高電圧 (1530 V) がかかったアノー

ドワイヤーが張ってあり, アースしたストロー壁との間にドリフト電場を作る。荷電粒子が通過するとストロー内に封入したガスの分子を電離し, 電離電子のドリフトで生じた二次電子のなだれをアノードが吸い取った際に生じる電圧変化を信号として読み取っている。ドリフト
速度はおよそ 50 µm/ns でドリフト時間は最大で 70 ns程度である。電子なだれがアノードに吸い込まれた時刻
からドリフト時間は測定できる。これにより最初の電離が起こった位置候補の集合を表した同時刻円 (ドリフトサークル) が書け, これが一つの “ヒット”となる。

このストローが連なって巨大な筐体を形成する。検出器はバレル部分 [1] とエンドキャップ部分 [2] の二種類で構成される。バレルはビーム軸方向に走る 1 本の長いストローが 73 層, エンドキャップはビーム軸の内側から外側に向かって走るストロー 8 層からなるディスクを片側あたり 20 枚重ねた構造となっている。ストローは合計バレルで 106496 本, エンドキャップで 245760 本となっている。図 3 と図 4 にそれぞれの概観を示す。ストローの間にはさらにポリプロピレン繊維をシート状にした素材 (図 2 右) が挟まっていて, この表面を荷電粒子が通過した際に例の遷移放射 (Transition radiation; TR) が生じる。TR で生じる光子は典型的に 5–7 keV の X 線領域である。Xe や Ar といった希ガスでこれらは光電吸収でき, 代わりに弾き出された電子がまた二次電子の

図 1: ATLAS 検出器の概観。TRT を含む飛跡検出器群

は赤点線および赤下線で示されている。

なだれを起こす。通常の TR を伴わない電離も同時に起こるので読み出される信号が重畳するが, こちらのエネ
ルギー損失は 1–2 keV なので信号の大きさで TR の有無は判定できる。

approach of the charged-particle track to each straw in the TRT.

2

Figure 3 shows an event display illustrating reconstructed tracks in the ID with pT > 2 GeV and |⌘| < 1.4.
A track from a particle traversing the ID volume with |⌘| < 2 would typically have 3 pixel clusters, 8175
SCT
strip clusters, and more than 30 TRT straw hits.
ストローをしき詰めた列を8層重ねたもの = ディスク

ビームパイプに沿って20ディスク

各モジュール間にポリプロピレンのフォイル

approach of the charged-particle track to each straw in the TRT.

ストローの方向

Figure3 shows an event display illustrating reconstructed tracks in the ID with pT > 2 GeV and
図 2: (左図) TRT ストローの概観。 (右図) 放射体とA trackfrom a particle traversing
theの顕微鏡ID volume with |⌘| < 2 would typically have 3 pixel cluste(19 µmϕ)して使われるポリプロピレン繊維
strip写真。
clusters, and more than 30 TRT straw hits.
Figure 2: A schematic view of the ATLAS ID barrel(left)and left end-cap side (right).ップ領域の概観。
Particle tracks crossing the
図 4:
飛跡検出器のエンドキャ
ID are shown by red lines.

ストローの隙間をポリプロピレンの繊維が埋めてるきることを意味し高エネルギー実験では粒子識別に特Another important feature of the ATLAS
ID is the particle ,identification
capability implemented in the
TRT. The particle identification is basedon TR, which arises when ultra-relativistic charged particlesに重宝されている。
cross a boundary between media with di↵erent dielectric constants [5]. The probability of a given particle
一方単一境界通過あたりで生じる光子の数は, 典型的
to emit transition radiation is determined solely by its Lorentz γ-factor. In the X-ray energy range of the
光子が
X 線領域であることを考慮すると
γ = 1000
な TR
TR photons, this probability is a step-likefunctionwhichrises from about zero to its maximumwhen
1 this e↵ect, in particular tothe γ-factor changes from about 500 toでも平均
2000. The0.1
TRT
was built to exploit
個かそこらである[5]。そのため層数を重distinguish between electrons and pionsねて境界通過の回数を増やすというのが通常の手口とな
up to momentum values of ⇠ 100 GeV.

During Run 1 the TRT operated with aneﬃciency greater than 97%, contributing significantly to theる。層が十分厚い時は放出される平均光子数は通過する
particle momentum measurement, pattern recognition accuracy and particle identification.
境界の数にそのまま比例する。ところが薄すぎる場合は
The TRT tracking performance for di↵erent
running conditions
in Run 1, which include three types of
TR の間で負の干渉が発生し増幅効果が各境界で生じたcollisions (proton–proton, proton–lead, and lead–lead collisions) and imply di↵erent TRT straw occupan消えることが知られている [6]。これは formation zone
cies, are presented in this paper. The straw occupancy characterises the particle density in the TRT and isdefined as the probability to have a strawと呼ばれる
signal aboveγa 因子・媒体の屈折率・given threshold value inTR
the 光子のエネルギー
TRT read-out windowof 75 ns, equivalent to three bunch crossingsthe nominal 25 ns LHC bunch spacing. For proton–proton(ω) atによって決まる長さが基準になっており:(pp) collisions, the occupancy depends on the average number of interactions per bunch crossing hµi.
p
図 3: 飛跡検出器のバレル領域の概観。シリンダー状にThe pp collisions studied in this paper are collected
at s =18 TeV 2βceither with a 50
ns 1,
bunch
(i =
2) interval inzi =2 + ω2 ω
1/γbunches
なっている ATLAS 検出器を中央で輪切りにしたときのlow straw-occupancy conditions or with individual isolatedinhighstraw-occupancy
conditions.
ipFigure2:A
schematic
view
of
the
ATLAS
ID
barrel(left)
andleft
end-cap
side(right).
Particle
Lead–leadcollisions(called
later
in
the
text
“heavyion”
collisions)arecollected
at
s
=
2.76
TeV with a tracks cr
断面の一部を表している。ポリプロピレン繊維はマット
p
これにより
γ
が大きい極限では多層増幅が飽和するこ
200
ns
bunch
interval
andproton–leadcollisions
arecollected
at
s
=
5.02
TeV
with
a
50
ns
interval.
ID areshown by red lines.
みたいに整形したものをストローが串刺しにしたようなと, 対象とする γ の範囲に対する TR 信号を増幅するの
The simulations used to describe[1]the data are reported in Section 2. A general description of the TRT,
格好で配置されている。多分よくわからないので文献
ではポリプロピ
including a brief summary of the data に最適な層の厚さなどがわかる。
acquisition system is given in SectionTRT
3. Position
coordinatesの図 4 を参照をされたい。
Another
important feature
ATLAS
the
particle
identification
capability
implementof hits in of
the theTRT aremeasured ID
usingisdrift-time
information.
The
straw
coordinate
accuracy
depends
レンのファイバー繊維層と CO2 層が 3 mm おきに交互
strongly on the calibrationof the r–t
where
r is thepositionin the straw and t is thecharged
TRT. The particle identification
is based
onrelation,
TR,
which
ariseswhenradius
ultra-relativistic,track
典型的なエネルギーの電子が通過しに配置されており
measured
drift
time.
Section4
describesther–tcalibration
procedure.
The
track
reconstruction
accuracy
2.2a boundary
遷移放射20%くらいの確率でTR 光
た場合ストローあたり平均
cross
betweenmedia
withdi↵erent
dielectric[5].
The
substantiallydepends
on precisely
knowing
the positionconstantsof all TRT straw
anodewires.probability
A dedicated
TRTof a give子が発生している。
遷移放射(TR) にまつわる効果についてもう少し言及
to emittransition
radiation is determined solely by its Lorentz γ-factor. In the X-ray energy ran

TR しておく。放射の原理や境界配置による効果の平易な解
photons, this probability is a step-like function whichrises from about zero to its maxim
4
説は [3], 高エネルギー実験への応用については [4] が詳
the しい。
γ-factor changes from about 500 to 2000. 2.3
The検出ガスTRT was built to exploit this e↵ect, in par
distinguishbetween electrons and pions up to momentum
values of ⇠ 100 GeV.
ストローに入れるガスには様々な要求がある。電離TR は屈折率の異なる物質間の境界に入射した荷電粒子によって境界部分で生じる放射であり, 古典的には荷効率, 電離されたイオンの内殻転移で出る紫外線の吸周波数 ω1 と ω2 を持つ 2 つの媒質境界にローレンツ因度, 放電しやすさ, 放射化してヤバい物質を出さないこ

DuringRun 1 the TRT operated with an eﬃciency
greater than97%,
contributing), TR のX 線吸収効率, なだれのsignifican
収効率 (クエンチ能
電粒子の電場によって媒体表面に誘導された鏡面電荷のparticlemomentum measurement, pattern recognition
accuracy, ストロー方向へのなだれの拡散
and particle identification.
増幅度, ドリフト速度
時間変化による双極子放射として理解できる。プラズマThe子TRT
tracking
performance for di↵erent running
conditions in Run 1, which include threeと... などである。こっちを解決するとあっちがダメに
γ(= E/m)を持つ荷電粒子が垂直に入射した際に発まさにタコス噛みの苦なるみたいな関係の要素が多く
collisions(proton–proton,
proton–lead, and lead–leadcollisions) and ,implydi↵erent TRT straw:
生する放射のエネルギーは2。そんなパズルみたいな作業の後悩というやつである
cies, are presented inα (ωthis
The straw occupancy characterises the particle density in the Tω2 ) 2
1 − paper.
γ
S=
3
(ω
+
ω
)
1 to2have a straw signal above
1 つまり本質的には量子力学的な確率過程であり
defined as the probability
a given threshold value, in
the TRT輻射確率は
α ∼ read-ou
1/137 に比例している。
でありγ に比例する。これはエネルギー測定と組み合2 タコスを片側から勢いよく噛むと反対側に具が逃げていき
of 75ns,, equivalent
to three bunch crossings at thenominal 25 ns LHC bunch spacing.
, やが For protoて地面に落ちる現象。
わせることによって荷電粒子の質量情報にアクセスがで(pp) collisions, the occupancy depends on the average number of interactions per bunch crosp
The pp collisions studied in this paper are collected at s = 8 TeV either with a 50 ns bunch i
low straw-occupancy conditions or with individual isolated bunches in high straw-occupancy co

3176

Xe:CF4 :CO2 =70%:20%:10%という適切と思しき配合が黎明期に見つかり, これに基づいて検出器の設計がなされた [7]。Xe は X 線吸収, CO2 はクエンチ能, CF4 はクている。

どが評価されての抜擢だった。ところが建設段階で CF4保持する。ATLAS から Level-1 (L1) トリガーの信号をする物質を発生させることが判明する [8]。バレルのスト

ビット分 (3.125 ns ごとの LT 情報 24 ビット+25 ns ご

エンチ能に加えワイヤーの放射化の影響を抑える効果なは放射化によって HF, F, F2 などといったガラスを腐食
ローはワイヤーの接合部にガラスを使用しているので, あおける例で, 最適化後の e/π の HT ヒットの確率を表し

DTMROC は 2 つの ASDBLR から送られてくる信号を 3.125 ns おきにサンプルし結果をバッファーメモリに受け取ると, 衝突時刻からその 75 ns 後までのデータ 27との HT 情報 3 ビット) を読み出し, 中継ボードを経てのまま気づかないで運転していたらそれらが溶けてメカ

100 m 先にある地下計算機室のバックエンド回路に送っめることとなったが, CO2 だけではクエンチ能が足りな

バックエンドは, FE の制御または ATLAS からの信号

ニカルに崩壊していたので非常に危なかった。CF4 は諦い。かといってこの段階で取れる選択肢も限られており,ている。この時間幅はドリフト時間からの要請である。

を送る TRT Trigger and Timing Control (TRT-TTC)

苦難の末 O2 を少し加えた Xe:CO2 :O2 =70%:27%:3%とと, FE からデータを受け取る TRT Read Out Driver

ローの放電電圧も上昇し万事うまくいくかと思われたからストロー 1920 本分のデータを受け取り, FPGA でなる。

には Huﬀman 符号 [10] を使っており, 図 7 に表すようにいう配合にたどり着いた [7]。O2 を加えたことでストが, この O2 が後に慷慨憤激の沙汰を引き起こすことと

2.4(ROD) から構成される。ROD は 120 個の DTMROC

データの圧縮・検証・パッケージングを行っている。圧縮

最頻出のパターンが最も短くなるような符号化をする。
これによって後段に送るビットの量を実効的に 1/4 まで

読み出し

読み出しは検出器のストローと直接電気的に接続した

フロントエンド回路 (FE) とそれらから受け取ったデジタ

ル信号を処理するバックエンド回路からなる。図 5 に概要を示す。FE はアナログ信号を捌く ASDBLR (Ampliﬁer,

減らしている。ビットパターン頻度の評価には実データを用い, 運転環境の変化に合わせて更新している。RODの後段は ATLAS 共通のバックエンドシステムがあり,そこで初めて全検出器のイベント情報が一堂に介し, ソ

フトウェアトリガーにかけられ, パスした暁には地上のShaper, Discriminator and Baseline Restorer) と, そこ

ストレージに送り出されて衝突事象として日の目を見る

Time Measurement/Read Out Chips) の 2 種類のカス

通常の運転では TRT は ATLAS からトリガーを受けから渡されるデジタル信号を処理する DTMROC (Drift

タムメイド ASIC [9] からなり, ストロー束の終端に取りというわけである。

取るだけだが, 宇宙線測定のような低レート環境では自付けた PCB に載っている。ASDBLR は 8 本のストロー

前でトリガーを発行できる。DTMROC が TRT-TTC

閾値をかけてデジタル情報を後段の DTMROC に渡し

TRT-TTC から集めた信号を NIM ロジックで強引に ORから信号を受け取り, その名の通り増幅・シェイピング・ている。シェイピングでは電離された遅いイオンによる長い残留信号をキャンセルする機構 , およびそのオー3と通信するために用意したラインに信号を打ち込み, 全を取って ATLAS に送るだけという野性味のある実装だが, 開発が常に行われているトリガー専門の検出器と違っバーシュートによるベースラインのシフトを解消する回て変更することがめったにないので, コミッショニング出しを可能にしている最大の肝である。閾値はそれぞ

リガー源として重宝されている。

路が実装されており, これらが超高レート環境での読み
れ電離信号に対応した low-threshold (LT) と電離+TR

期ではしばしば ATLAS の宇宙線データ取得のためのト信号に対応した high-threshold (HT) の二段階になっており, LT はノイズ環境におけるストロー占有率 (LT が鳴っているストローの割合) が常に 2%になるように動的に較正, HT は LHC の物理で興味のある電子の典型的な横運動量領域4 (5–100GeV) において e/π 分離が最適になるように設定している。図 6 はエンドキャップに

3 これはガスがわかっており tail の波形が既知であることが条件である。Xe ベースと Ar ベースのガスに対応した 2 つのモードが実装されている。
4 運動量のビーム軸に垂直な成分の大きさを横運動量と呼ぶ。素過程の始状態のビーム軸方向の運動量が定まらないハドロンコライダー
においては横運動量が実験室系での反応のスケールを反映する。

図 5: TRT の DAQ システムの概要。

Not reviewed, for i

4

310
311
312
313
314
315
316
317

319

0.3

0.25
0.2

0.15
0.1

入力パターン (“A”とかは27ビット列)

ATLAS Preliminary

出現頻度

s = 0.9 TeV
TRT end-caps

最も頻度の低いペアを抽出
一番下の桁を決定

下３桁目を決定

合算して次のステップへ

Data 2009
Monte Carlo

同じ作業を繰り返す

下2桁目を決定0.05
0Generation of the table is done by creating a binary tree of nodes. First, all patterns and their frequencies
are gathered in some list. To begin construction of the tree, the two patterns with smallest frequency
are used to create a new internal parent node having these two patterns as children nodes. The children
nodes are removed from the list and the parent node is added to the list, with its frequency being
the sum of the two children’s frequency. This process is continued iteratively until there are177
is onenode left, the root of the Huffman tree. To create the table or dictionary, the binary tree created istraversed. A simple example of this process can be seen in Figure 8. The example encodes the string“A_DEAD_DAD_CEDED_A_BAD_BABE_A_BEADED_ABACA_BED” into a code of ’1’s and ’0’s.

103

102

1
10
Pion momentum (GeV)

下4桁目

完成した符号

この人たちは初出

a factor
10

下2桁目

一番下の桁を決定

104

1
10Electron momentum (GeV)
符号で置き換えた後のビット列 (27ビットが2-4ビットに圧縮された)

図 6: e/π の飛跡を構成するヒットの HT ヒットの平均
ATLAS

Figure 8: An simple example of Huffman encoding of a string, taken from Wikipedia [6]ATLAS+LJK!SS

([WHQVLRQIUDFWLRQ

の割合 [12]。これを使って 90%の効率で π ± の 70–90%


+LJK+HDY\L+HDY\LRQ
図 7: Huﬀman
符号アルゴリズム [10] の模式図。A-E



を棄却することができる。π ± は TR を出さないが電離3UHFLVLRQKLWIUDFWLRQ

High-threshold probability318

are rarer are assigned longer encoded words. The Huffman algorithm generates a table of these encodings
close to the theoretical minimum length to losslessly transmit the data.

や “ ”は我々の場合イベントあたりのストローヒットの 15

28th September 2017 – 14:40





1RRXWRIWLPHSLOHXS
1RRXWRIWLPHSLOHXS
ビット列である。ここでは 1. で与えられる文字列がどHT
ヒットに信号の長い Landau tail のため 5%ほどが

なる。





ういう変換をされるかを例示している。
V 7H9+,V 7H9SS
V 7H9+,V 7H9SS0H937WUDFN*H9

物理解析への TRT 情報の貢献

0H937WUDFN*H9−を決定している。これによって再構成される
e+ e
転換


















ATLAS の飛跡検出またはオフラインの物理解析におり [13], h → γγ のような光子を複数要求する解析では
















ける TRT 情報の主な貢献は以下の通りである。いずれ
特に重要である。
757RFFXSDQF\の項目において LHC のヒッグスの発見に大きく貢献し











たことは特筆に値する。
荷電粒子の運動量決定

シリコン検出器はセルが細かく単一ヒットの位置分解能に優れる (O(10 µm))。そのため衝突点由来の荷電粒子の大半はシリコン検出器で飛跡が見つかるが, 半径が小さく磁場をかけた際の曲率測定が難しいため運動量の決定精度が悪い。TRT は個々のヒットの位置分解能は悪い (∼ 130 µm) もののヒットの数が多く (20–40 個) 間隔も広いため, TRT に外挿す

光子の効率は横運動量によるが典型的に 60%–95%であ







SS
+,



7UDQVYHUVHPRPHQWXPUHVROXWLRQ>@











SS
+,

3

ることで運動量分解能を大幅に改善できる。例えば図 8

2.5

ATLAS Simulation
Pb+Pb sNN = 2.76 TeV

2.0<p <2.5 GeVT|η|<2.0

1RRXWRIWLPHSLOHXS

ID without TRT
ID with TRT

2

1.5

1
0

は低横運動量領域における性能評価であるが, TRT へ

75

3

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

TRT Rccupancy

1の外挿によって 30–40%の分解能改善がある。高横運動
図 8: 衝突点から生じた荷電粒子飛跡の, TRT
Figure 19: The TRT track extension
fraction (top left), and the precision
hitのヒット
fraction (top right),
量領域においてはこの傾向がより顕著になる。これらは[12]and。 heavy-ionを使った場合と使わなかった場合の運動量分解能
the
total
TRT
occupancyfromminimum-bias
events
with
40

hµi

70
for
pp
h → ZZ → 4ℓ や h → µµ といった分解能が直撃するような解析では特に重要である。

during the 2011–2012 operation with a Xe-based gas mixture. The pT resolution of ID tracks
the TRT occupancy (bottom) with (triangle marker) and without (circle marker) TRT measureme
simulations with a Xe-based gas
Tracks withe/πTRTmeasurementsHT
correspond
TRmixture.
を使った粒子識別
識別においてはの情報 to 70% of
衝突点から離れて生じた荷電粒子の飛跡再構成
こう conditions as shown in the top left panel.
ID in such high-occupancy
単体で S/N を 5–50 倍改善し [12], ATLAS の電子およびいった粒子はシリコン検出器にヒットをあまり残さな
いため TRT の情報から飛跡を作る必要がある。特にATLAS では生成する光子の 1/4–1/2 が飛跡検出器物質

タウレプトンの同定能力に強力に貢献している。これはCMS5 の検出器にもないユニークな機能であり, TRT の

accuracy, but even at 90% 最大の売りである。また転じて磁気モノポールなどの電occupancy the TRT improves the ID momentum resolution-質量比の大きい未知粒子探索にも使われている[14, in such h
荷thefor
trackswithextensions
in
TRT, which applies to about 70% of the tracks
需要がある。シリコン検出器のヒットのみで再構成さ
15]。
conditions in heavy-ion collisions.
れた飛跡由来の TRT ヒットを除去した後, 残った TRTとの相互作用で e+ e− 転換を起こすので意外に大きなヒットで種となる飛跡を再構成する [11]。このままでは2 次元の飛跡になってしまうが, シリコン検出器に内挿Compact
Muonenvironments
Solenoid。LHC にて ATLAS と対をなす汎用
8 Performance in dense
track
検出器を持った実験。

してヒット 1 つ以上見つけてマッチすることで 3 次元目

5

One of the most challenging tasks for a tracking detector is finding and reconstructing tr
with high track density, as in energetic jet cores where tracks can be very close to each o

5178

LHC Run2 運転 - 高ルミノシティとの闘い

4

LHC は Run1 (7–8 TeV, 2010–2012) と Run2
(13 TeV, 2015–2018) を経て, その後の長期シャット
ダウンも終えようとしており, 2022 年春から Run3

(13.6 TeV) が開始予定である。Run2 の中盤までは後で述べるガスリークを除けば穏やかだったと聞いているが, 2016 年に LHC が当初予定していたビームルミノシ

ティ (1034 cm−2 s−1 ) を達成し, 2017 年秋以降さらにその倍で運転しようとしたため状況が一変した。高い輝度は基本的に陽子衝突のパイルアップ6 が増えることを意味する。例えば図 9 は Run1 (左) と Run2 後半 (右) の典型的な衝突事象における TRT バレルのストローヒッ

トマップであるが, Run1 の牧歌的なイベントディスプ

レイに対して Run2 後半のそれは刃傷沙汰ともいうべき有様である。パイルアップは 50 前後, LT を鳴らしているストローは一番苛烈な領域では 70%にものぼり, 時間
情報による分解とシリコン検出器ヒットからの外挿が強力ではあるものの普通に運用ができているということには純粋な驚きがある。とはいえこの状態でデータを取れ

開始前から中盤にかけて様々な改造が実行された。例

えばパイルアップ由来のヒットのみで構成されている確率の高いビットパターンのマスク, ROD で修飾するエ

ラー情報に関するビット数の削減, 圧縮のルックアップ

テーブルに登録できるパターンの数の増加, それに伴うファームウェアの不安定性を取り除くための多岐にわたる微調整が行われた。また根本的な解決として ROD の

S-Link ドライバカード (HOLA) のアップグレードも行われた。新しい FPGA と 50%早くなったクロックを積んだカードを新調し, マステストの後 2017 年の運転が始まる前の 5 月に総取り替えが行われた。VME クレー

トにギチギチに詰まった ROD を引っ張り出して搭載している HOLA を交換するわけだが, 元々のスペースのなさに加え経年劣化によるボードやレールの歪みで隣のボードとも干渉して非常に苦労した。結局米粒みたいな
キャパシタが吹き飛んで何枚かの ROD が破損したが,それ以外は目立ったミスもなく約 8 日間チーム総員でフル稼働し HOLA カード 192 枚を交換。抜いた 3000 本

近くのケーブルを繋ぎ直した後一発でシステムが復旧したときは猛烈な感動が巻き起こった。

るようになるまでには多大な努力があり, 自分が TRTの DAQ に参加し始めたのもまさにその準備の真っ只中であった。

図 9: Run1 (左) と Run2 後半 (右) の典型的な衝突事

図 10: HOLA 交換キャンペーン。右の人物は 2019 年ま青い点は LT, 赤い点は HT を超えたストローヒットを担当した吉原圭介氏 (現名古屋大学)。

象における TRT バレルの片側のストローヒットマップ。
表している。

4.1

DAQ アップグレード

最大の困難は読み出しの bandwidth であり, 複数の段階で逼迫することが明らかだった。特にヒット数が上で同じくペンシルバニア大学で TRT の DAQ 責任者を

また Run2 では L1 トリガーのレートが Run1 の75 kHz から本来のデザインゴールである 100 kHz を目指すことが決まっていた。この単純な読み出しレー
ト上昇によって ROD のインプットの bandwidth も問題となり, FE から送る LT のデータの最後の 3 ビット(9.375 ns 分) を削って対応せざるを得なくなった。ドリ昇し, 1 イベントあたりのビットパターンの多様性が増

フト時間の長いヒットが取りこぼされることになるためとによって, ROD の後段への転送 (S-Link) がネックと響が見られたものの, 通常の飛跡検出性能にはほぼ変化

え ROD における Huﬀman 圧縮の効率が悪くなったこ
なった。これを受けて ROD のファームウェアは Run2
6 陽子の束同士が衝突するので多数の衝突が同時に起こる。

慎重に検討されたが, 長寿命荷電粒子の検出に多少の影を及ぼさないことがわかった。

これら一連の変更によって達成した読み出し性能改善が図 11 にまとめられている。100 kHz の読み出しに対6179

して以前はストロー占有率 (LT が鳴ってるストローのは, working hypothesis が何もなくてもとりあえず何かうになった。これはパイルアップの数にして 65-75 に相しないと手を動かさないタイプのやつだったので輪に割合) 50%ほどで限界だったのが 85%まで許容できるよ当する。

試すという発想に乏しく, 当時相棒であった Ian も納得

かけて何も進まなくなった。対処療法で耐え続ける中,2017 年 10 月 31 日最もエラーを起こしていた ROD を含
む VME クレートが運転中にトリップしラックごと落ちた。ハロウィーンの日にふさわしい大災害だったが, 死んだ電源を交換するとなぜか以降その ROD のエラーは治ってしまった。その後試行錯誤した結果, モニタリン

グにかからないほどの短い back-pressure8 を ATLAS の

バックエンドから ROD に送るとエラーが再現されることがわかった。どうもこういうことであったようである:(1) 短い back-pressure によるデータ取得の停止と再開によって ROD に流れるデータのパターンが急激に変わる (2) ROD を保持しているクレートが供給する電流も

図 11: DAQ アップグレード前後での読み出し性能の比較。横軸は TRT のストロー占有率 (LT が鳴ってるスト

ローの割合), 縦軸はその際に S-Link の bandwidth を逼

迫させずに読み出しが行える最大レート (L1 トリガーの発行レート) を表している。ATLAS のデザインゴー

ルは 100kHz である。色つきの帯は各イベントのデータに付随する可変長の error block (データに異常が検知された際に ROD で修飾されるビット列) による不定性だが, 実際の運転ではほぼ最小の状態を取り続けるので上の縁を見れば十分である。

4.2

急変する (3) 調子の悪い電源だとさらに激しい変化になる (4) ROD のクロック同期を保証する PLL 回路を流れる電流が変わり, 定格ギリギリだった場合機能しなくな

り同期を失う。こんなんわかるかよという感想しかないが, working hypothesis なんていうものは後からついてくるというハードウェアデバッグの流儀を叩きつけられた感じであった。2017 年末の ATLAS ソフトウェアトリ

ガーの計算機増強によって ROD への back-pressure の問題は解消され, 2018 年の運転では同期エラーの頻度がそれまでの 2 割程度に減少した。この残り 2 割は違うメ

カニズムで起こっており, 今だに原因究明が続いている。

多発する同期エラー

2017 年 9 月 LHC は ピ ー ク ル ミ ノ シ ティ1.65 ×1034 cm−2 s−1 を達成し7 [16], ATLAS に最大パイルアップ数 62, TRT に最大ストロー占有率 81%という空前絶後の爆裂状態をもたらした。アップグレードによる DAQの性能改善が概ね予想通りだったのはよかったが, この運転環境になって以降 30 分から 1 時間くらいに一回の頻度で DAQ システム内 (主に ROD を流れるデータとLHC のクロック) の同期が外れる現象が見られるようになった。ほとんどの場合自動で再同期のコマンドが走り 15 秒ほどで回復するが 時々直らないこともあり,

再起動 (一回あたり 3 分ほど ATLAS のデータ取得を止める) や, 最悪問題の ROD やそれに繋がる中継ボード(図 5 参照) の交換が必要になるケースもあった。タチ

図 12: 2017 年の高ルミノシティ運転を乗り切り浮かれる DAQ チーム (一番右が筆者)。

ちなみに TRTDAQ システムの中継ボードは ATLASの悪いことにこのエラーは実際の物理ラン以外では一検出器の内部, ミューオン検出器の層間のスペースにあに物理解析ばっかりやってきたケツ青き若造だった自分とになる9 。ケーブルや冷却パイプの間をすり抜け, 時

切再現ができずデバッグは困難を極めた。それまで主7 2017 年 11 月にあった special run においては宣言通り 2.09 ×

1034 cm−2 s−1 を達成した。

り, アクセスにするには文字通り ATLAS の中に潜るこ

8 データを受け取る側の処理が飽和したときに上流からのデータの流入を止める行為およびそのために発するビジー信号。
9 中継ボードを交換する様子 (動画): https://www.youtube.com/

7
180にはハイハイしたりジャングルジムみたいな物体を超え

プやストローの中をプカプカ漂っている。ガスパイプは独特の雰囲気がある。運転中はさらに暗闇に加え磁場もいるが, 曲がって力がかかっている部分を O3 が攻撃していくわけだが, ハイテク感と猥雑さが共存した空間はかかっているためさらにファンキーさが増す 。その辺10の構造物は基本角が立っていて剥き出しの突起物も多い
ため, 服は破けるわ足や腕はぶつけたり擦りむいたりで,毎回多かれ少なかれ獣に襲われた後みたいな状態になって外に戻ってくることになる。

ポリエーテル・エーテルケトン樹脂 (PEEK) でできて割れ目ができてリークが発生した。PEEK の放射線耐性

や O3 に対する耐性は入念に調べられていたが, 力学的なストレスがかかっている PEEK が O3 に殊更弱いというのは完全な想定外であった。リークは Run1 終盤から始まり, 最もひどい時には Xe が毎日およそ 240 ℓ 失われる事態となった。害はないと言われているが Xe は高い

ので実質金を漏らしている状態である。Run1 と Run2の間にリークの探索が行われ (ここで初めて PEEK の破損と原因が判明した), エンドキャップ部分のリークは概ね修理できたが, バレルの損傷は検出器内部のアクセスできない場所にあり修理は断念された。仕方がないのでバレルはリークのひどい部分を Xe から Ar に逐次置き換えていくことになり, Run2 開始以降もこれが基本戦略となった。この問題が困るのはダメージが蓄積していくため今大丈夫なパイプも将来破損する公算が高いことである。事実 Run2 は LHC のルミノシティが上がる

図 13: 中継ボードの取り替え。ケーブルの海をかき分

け 10 年以上刺さって周りと融合したボードを叫びながら引き抜く。

ガスにまつわる乱痴気騒ぎ

5

Run1 も含めて TRT の運転史上最凶の災難はこれか

ら述べるガスリークで議論の余地がない。自分は直接対応する立場にはなかったが, 傍目から見てもメンタルがやられそうになるものがあった。ちなみに一般的にガスを漏らしている検出器は「なんだこの体たらくは」みた

いな印象を持たれがちであるが, これは人の体型から自己管理できてないと判断するような邪悪な誤謬であることは強調しておきたい。予見しようがない要素があまりにも多く, 基本的に明日は我が身である。現場では最も技術に長けガッツを持った人間が事態に当たっていた。
彼ら/彼女らの奮闘に敬意を表しここに一連の展開を簡潔に記録しようと思う。

5.1

O3 によるパイプの破壊と Xe 高騰の恐怖

検出器ガスに含まれる O2 は放射線を受けて O3 を生じる。ガスは循環しているものの運転中絶えず生成されているので, O3 は 100-200 ppm 程度の濃度でガスパイ

watch?v=2vYtRLJdFRc
10 ヘッドライトの磁性で頭がうっすら磁場の方向に引っ張られる,磁性を持ったネジは締めるとき真っ直ぐ穴に入ってくれない... などの異変を感じることができる。

につれさらに新たなリークが次々に発生し11 , Run2 の終わりにはバレルの半数のストローが Ar に置き換わることになった。Run3 ではバレルは完全に Ar ベースのガス配合に置き換わる予定である (図 14)。Ar は安価な
一方で X 線の吸収率が 5–15 keV 領域では Xe の半分程度しかない。飛跡検出や運動量測定には影響はないが,TR による粒子識別能力が猛烈に損なわれるので痛手である12 。またガス変更の度にオフラインの較正や粒子識

別のアルゴリズムを新調することになったため下流もてんやわんやとなった。

PEEK が O3 に蹂躙される一方で, リーク緩和のための措置も多方面にわたって講じられた。リークを最小化するための動的な流量調整や, それによる圧力変化の影

響を高電圧の調節で打ち消してガス増幅度を一定に保つシステムが開発された [17]。これらとバレルの全 Ar 化

により Run3 開始時の Xe リークは Run2 終盤の 200 ℓ/

日から 120 ℓ/日程度まで抑えられる見立てである。ガス流量計の較正も新たに行われ, リークの検出精度が 10倍改善された。また現在生きているパイプのための予防措置として, 検出器ガスに含まれる O2 の割合を 3%から

1.2–1.5%まで落とした。これによって生成される O3 の量を 40%減少させている。さらに根本的な解決としてパイプ内の O3 を吸収する炭素化合物を投入する可能性
が現在検討されている。

11 特に 2015 年の秋頃は毎週のように新しいリークが報告され, ミー
ティングの資料からはえも言えぬ悲壮感が読み取れる。
12 オフラインの電子識別アルゴリズムも日々進化しているため最終的な性能ではいくらか挽回されている。例えば Run2 は Run1 に比べ全体として電子識別の性能はむしろよくなった。

8181

る。幸い LHC-Run3 は Run2 とほぼ同じ条件で稼働する予定で TRT の性能面での要求に不安はなかったため,

このシャットダウン期間では運転安定性を上げるための作業に集中することができた。例えば DAQ では 2019 年
からの (1) 2018 年の運転で観測された同期エラーの究

明 (4.2 章最後を参照) (2) 新しい ATLAS-TTC モジュールへの移行 (3) それに伴うタイミング設定のオーバー

図 14: Run3 開始時予定ガス構成。運転中新たにリークがひどくなった Xe モジュールは逐次 Ar に置き換わっていくカメレオンのような検出器になる。

5.2

フロントエンド回路冷媒のリーク

FE 回路のチップから生じる熱を吸収するため, C6 F14の液体冷媒が検出器内を循環している。2017 年 12 月バ

レルの最内層の 3 箇所からリークが発生。タンクレベルの時間変化から毎時数 ℓ 漏れていることが確認された。

Xe と違ってコスト面での打撃は小さい一方で, C6 F14 はCO2 の 1 万倍ほど強力な温室効果ガスで知られており,大勢にインパクトをもたらすレベルには程遠いとはい

え色々と心象が悪い。原因もまだはっきりわかっておらず, Run2 が終わった 2019 年 4 月に探索が行われたが,残念ながらまたしてもバレル検出器の内部で漏れているということを確認しただけに終わった。(我々のバレルの中は一体何が起きているんだ?!) リーク量も完全にコントロールできているとは言い難く, 停電やタンクの充填などに合わせて増えたり減ったりする挙動が観測されており, Run3 での運転における目下最大のリスクとホール (4) ROD の FIFO 処理最適化による高レート運
転能力の改善などを行っている。その他にも Linux OS

や C++コンパイラのアップグレードといった痛みを伴うソフトウェアのアップデートや, ハードウェアの様々デバッグに現場は常に追われている14 。特に後者は微妙で準静的な経年劣化によって壊れ方が年々珍妙なってきており, ケーブルを抜いて挿したら直るといったレベルの理不尽に遭うことが徐々に多くなってきている15 。複雑すぎる人工物はもはや自然の一部である。機械が精神を獲得することがあるとしたらこういうのから始まるのかもしれない。

ATLAS の方でも Run3 を見据えて 2020 年春以降 1–

2ヶ月おきに全検出器を同時に運転させる milestone weekという期間を定期的に設け, 常に全員で運転できることを確かめながら準備を進めている。昨年の 10 月には LHCからビームが到着, およそ 3 年ぶりに陽子衝突がまた観測された。今年の 3 月には地下の検出器ホールを閉じ,ビーム調整を経た後 6 月から本格的に Run3 が始まる予定である。CERN がまた賑やかになるのはもうじきである。

なっている。より地球に優しい代替冷媒として NOVEC(C4 F9 OC2 H5 ) が検討されたが, 放射線耐性や放射生成物などに不安があり, また新たなプラントを製作する必要があることから見送られた。Run3 では最もリークが不安定な箇所の冷媒循環, および該当する FE 回路を停止させて運転する予定である。

6

Run3, その後へ

TRT は他の内部検出器とともに Run3 いっぱいで引退し13 , その後の HL-LHC では全シリコン検出器である

ITk (Inner Tracker) [18] が取って替わる予定である。去りゆく検出器の戦略は通常のそれとは大きく異なる。人員面での制約が特に大きいため, 必然的に影響の小さい

故障は許容しスペア交換などの対処療法で凌ぎつつ, ボ

ロボロになりながら軟着陸を目指すことになる (図 15)。
これは重要な問題にリソースを絞るということでもあ

13 ヒッグス発見の主要チャネルの一つであった h → ZZ → 4ℓ 過程の電子を捕らえた “傑物ストロー”を特定して撤去時に密かに持ち去る計画が進行している。

図 15: 近年の TRT workshop で散見される絵 [19]。敗北主義の極北であるが終末期の検出器の宿命である。

参考文献[1] The ATLAS TRT collaboration,
P02014 (2008).

JINST 3[2] The ATLAS TRT collaboration,
P10003 (2008).

JINST 314 運転してなくても物は壊れる。

15 愛着があると許せるようになってくる。

9182[3] 日本物理学会誌 作田誠, 48-2 87 (1993); RADIOISOTOPES 作田誠, 47-4 383 (1998).
[4] A. Andronic et al., NIM A 666 130 (2012).
[5] G. M. Garibyan, Zh. Eksp. Teor. Fiz. 33 1403
(1958).
[6] X. Artru et al. Phys. Rev. D 12 1289 (1975).
[7] The ATLAS TRT collaboration,
P02013 (2013).

JINST 3[8] T. Akesson et al., Nucl. Instrum. Meth. A 515
166 (2003).
[9] The ATLAS TRT collaboration,
P06007 (2008).

JINST 3[10] D. Huﬀman, Proc. of the IRE 40 1098 (1952).
[11] T. Cornelissen et al. J. Phys.: Conf. Ser. 119
032014 (2008).
[12] ATLAS Collaboration, “ATLAS TRT Public
Result”, https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/AtlasPublic/TRTPublicResults.
[13] ATLAS Collaboration, JINST 14 P12006 (2019).
[14] ATLAS Collaboration, Phys. Lett. B 722 305323 (2013).
[15] ATLAS Collaboration, Phys. Rev. Lett 109
261803 (2012).
[16] 高エネルギーニュース 青木雅人 18-1 30 (2018).
[17] B. Mindur et al., JINST 11 P04027 (2016).
[18] 高エネルギーニュース 中村浩二, 堀井泰之 18-2
101 (2018).

[19] “This Is Fine”, KC Green (2013).