1
68■ 研究紹介LHC-ATLAS 実験 コロナ禍でのアップグレードと Run 3
東京大学 素粒子物理国際研究センター

神戸大学 大学院理学研究科

江成 祐二
yuji.enari@cern.ch

前田 順平
junpei.maeda@cern.ch2023 年 (令和 5 年) 8 月 4 日

1

はじめに

2022 年 7 月 5 日，3 年半の長期シャットダウン期間を経て LHC が第三期の運転 (Run 3) を開始した。Run 3 においても，ヒッグス粒子の精密測定など様々な物理成果が期待されている。この長期シャットダウン期間に Run 3，

およびその後に予定されている高輝度 LHC （HL-LHC）を見据えた検出器のアップグレードを遂行してきた。AT-LAS 日本グループは，液体アルゴンカロリーメータのトリガー読み出しのデジタル化や，初段ミューオントリ
ガーの性能向上など，様々な部分で中心的な役割を果たしてきた。本研究紹介では，その部分を中心に 2020 年初頭からのコロナ禍の中での様々なアップグレード作業，
および Run 3 開始後の運転状況と Run 3 のデータを用いたいくつかの物理成果について紹介する。

2

LHC Run 3 実験

Run 3 はダイポールマグネットのトレーニングによる磁場強度の増加により，重心系エネルギーを Run 2の 13.0 TeV から 13.6 TeV に上げて運転している。また，LHC へのインジェクターのアップグレードにより、
ビームエミッタンスを小さく保ったままバンチ当たりの陽子数を大幅向上している。衝突点でのビーム収束を絞り込めば，バンチ交差当たりの平均相互作用数 (⟨µ⟩) が100 も実現可能であり、実際の運転でも最高瞬間ルミノ
シティは 2.39 × 1034 cm−2 s−1 ，⟨µ⟩ = 69.4 を記録している（表 1）。この輝度増加を有効利用するため，Run 3

実験からルミノシティ・レベリングを本格的に行っている。これは瞬間ルミノシティを一定のレベル以上には上がらないように、衝突点における収束度を調節する運転手法であり，主に実験サイドからの要請1 で, 事象が重なり合っても再構成の精度を保つことのできる ⟨µ⟩ = 60

以下で実験を行うためである。バンチ当たりの陽子数が1 磁石の冷却システムの能力の限界による加速器サイドの要請でもある。

表 1: LHC 加速器の運転パラメター

パラメター

重心系エネルギー (TeV)
陽子数/バンチ

Run 2

Run 3

13.0

13.6

陽子数/LHC

1.1 × 10
2.7 × 1014

1.5 × 1011
3.5 × 1014

最大相互作用数

90.5

69.4

バンチ数

平均相互作用数

最大瞬間輝度 (cm

11

2,544

2,452

33.7
−2 −1

s

)

−1

)

最大積分輝度/日 (pb2.10 ×10
900

44.6
34

2.39 ×1034
1,222

減少するに従い、ビームの収束度を上げるという調整をこまめに行い，瞬間ルミノシティを 2.0 × 1034 cm−2 s−1程度に数時間保ち2 ，収束度が最大になった後はルミノ

シティが徐々に下がってくる。通常の LHC の運転サイ
クルは 10 時間ほどで，総陽子数 4 × 1014 個が半分程度に減ったところでビームをダンプし, 次のサイクルに移行する。これにより検出器の性能を担保したまま，単位時間当たりの積分ルミノシティを稼ぐ，効率の良い運転をしている。表 1 の 1 日当たりの最大積分データ取得

量の伸び，図 1 に示す 2011 年以降の各年における積算
ルミノシティの推移に見られる通り，2023 年は日々の増加率がもっとも高い。これはインジェクターのアップ

グレードによる陽子数増加と安定したルミノシティ・レ
ベリングを実現させた CERN 加速器グループの成果で
ある。

2.1

ATLAS 実験におけるトリガー

ハドロンコライダーにおけるトリガー，事象の取捨選

択を瞬時に行うことは実験成功のためのキーポイントである。例えばヒッグス粒子の場合，重心系エネルギー

13.6 TeV の陽子・陽子衝突では生成断面積が約 60 pb で
2 2023 年 7 月の Run で 8 時間近く ⟨µ⟩ ∼ 60 を保っていた。

2

Delivered Luminosity [fb-1]

69
80
70
60
50

ATLAS Online Luminosity
2011 pp2012 pp2015 pp2016 pp2017 pp2018 pp2022 pp2023 pp

s = 7 TeV
s = 8 TeV
s = 13 TeV
s = 13 TeV
s = 13 TeV
s = 13 TeV
s = 13.6 TeV
s = 13.6 TeV

40

図 2: カロリメータトリガーの新デジタル読み出しのコ

30
2/23 calibration

20
10
0
Jan

Apr

Jul

Oct
Month in Year

図 1: 各年の積算ルミノシティの推移。2023 年は運転時の増加率がもっとも多いことが分かる。

ア，ATCA 規格のメザニンカード LATOME（LAr Trig-

ger prOcessing MEzzanines）Intel 社製 Arria-10 FPGAを搭載，Broadcom 社製 MicroPod 8 基で光ファイバ 96
本を接続。

を持つ。このような電子やミューオンが少なくとも一つあるという事実は，マルチジェット背景事象とは大きく異なる特徴であり，それを捉えてトリガーする。これら
を single-EM 又は single-muon トリガーと呼び，全体あるのに対し，一番大きな背景事象のマルチジェット事の 40%にあたる約 20 kHz ずつ割り当てデータ取得して具合があったり, 性能が悪いとマルチジェット事象だけ

ネルギー (MET) トリガーも用意されている。

象については約 100 mb と 6 桁も大きい。トリガーに不を記録し，重要なヒッグス粒子を含む事象が起こっていいる。この他にタウ粒子やジェットトリガー，欠損横エ2019 年から 2021 年のシャットダウンの間にこの L1ても記録できない状況に陥る。測定器の観点からは状況を強化した。液体アルゴン・カロリメータのトリガーの陽子を有し，それらが衝突点で交差するごとに平均 45

方ミューオン検出器の更新（NSW の導入）[2] によりるため，何らかのエネルギーが見られた，といった単純

下げることに成功した。その詳細を以下で紹介する。

はもっと難しい。表 1 に示す通り，1 バンチは 1.5 × 1011ほどの非弾性散乱が生じる。これらが 25 ns ごとに起きな「トリガー条件」を課しただけでは，すべての事象がトリガー対象になり, そのトリガーレートは 40 MHz になってしまう。ATLAS 実験における 1 事象辺りのデー

タサイズは 2 MB 程度であり，テープに書き込めるレー

トはおおよそ 1 kHz でしかない3 。

ATLAS 実験ではこのトリガーを 2 段階に分けて行っている。初段は Level-1 トリガー (L1) と呼ばれ，処理時間が決められたリアルタイムで事象の取捨選択を行う
ハードウエアベースのトリガーシステムであり，この出力レートの上限は 100 kHz である。後段は PC クラス

タを用いる High-Level Trigger (HLT) であり, 全検出器からの情報を使い事象を再構成し, 記録すべき事象を選択する。この出力はテープに記録され，この出力レートは約 1 kHz となる。

言うまでもなく，L1 トリガーは全体の性能を大きく左右する。その中でもレプトントリガーの性能が重要である。これは新粒子やヒッグス粒子など興味のある事象
は，W 粒子や Z 粒子のベクターボソンを付随する生成過程が多いためである。これらから崩壊して出てくる電子またはミューオンは，10 ∼ 30 GeV 程度の横運動量

3 テープに残すだけであれば，3 ∼ 4 kHz が可能である。この余剰分を有効活用し，即時ではなくデータ取得停止時に解析するデータも取得している。

読み出しのデジタル化 [1] により single-EM, そして前

single-muon の閾値を保ったままトリガー頻度を大幅に3

液体アルゴン・カロリメータのトリ

3.1

Super Cell の導入

ガー読出しのデジタル化

新トリガー読出しは従来に比べ 10 倍細かく読み出す

Super Cell (SC) を導入，EM シャワーの形状を測定する

ことにより，電子および光子とジェットの識別能力を向上させる。従来のトリガー読出しには物理解析用のもっと細かい読出し配線を分岐し、約 60 個分をアナログレベルで足し上げ，モリエール半径 (∆R = 0.04)4 の約 2倍に相当する ∆η × ∆ϕ = 0.1 × 0.1 のタワーを使っていた。SC では深さ方向は 4 層別々に、そのうちの真ん中 2

層は η 方向に 4 倍細かく読み出す。これにより読み出し
数が 10 倍になるので、フロントエンドで信号波形をサンプリングして，一つの SC につき 12 bits のデジタル

データを 40 MHz でバックエンドに転送，そこでリアル

タイム信号処理によりエネルギーと時間測定を行っている [3]。これを後段のトリガー判定を行う専用エレクト

4 z 軸をビーム軸，x 軸を LHC リングの中心方向とした右手系の座標系。ϕ，θ はそれぞれ x 軸から√y 軸，z 軸から y 軸への角度。
η = − ln tan(θ/2) であり，∆R = (∆η)2 + (∆ϕ)2 。

370

ロニクスに送信する。システム全体で 21 Tbps で受信、

41 Tbps で後段に送信する膨大なデータフローとなっている。このリアルタイム信号処理を行うのが，図 2 に示す

コロナ禍でのコミッショニングは簡単なものではない。

このプロジェクトは日本，アメリカ，ロシア，ドイツ，イタリア，フランスそして CERN の多数の研究機関から

ATCA 規格のメザニンカード LATOME（LAr Trigger
prOcessing MEzzanines）であり，計 96 本の光ファイ

多くの研究者が関わっている。各研究機関で製作された

なみに，この名前はフランスらしく，“La Tomme” と付け合わせながら作業，議論をしないと進まないのであバーを接続，Intel Arria-10 FPGA を搭載している。ちいうチーズの名前と掛けてある。ATLAS 日本グループ

はこのバックエンドパートに携わり，ハードウエアの共同開発，そしてコアになっているエネルギーと時間測定
アルゴリズム実装を担当した。このアルゴリズムは FIR

新しいハードウエアを組み合わせ，安定に運用できるシステムを作り上げるには，どうしても人が集まり，膝をる。コロナ禍であっても，このようなアップグレードに関わる案件には会合を持つことが許され，細心の注意のもと，CERN に集まり，開発を進めた。この甲斐もあり，2021 年 10 月末に行われた beam splash テスト6 にフィルタリング [3] に基づく積和演算により，決まったもデータ取得できる体制7 を整えることができた。

を判定，全 SC の横方向エネルギーを出力する。この出あった。実は一番最初の splash 事象は取得できなかった

ベースラインシフトの補正，サチュレーションによる誤整を行い，何とか LHC 加速器に同期した事象を取得でき

遅延時間 110 ns で各バンチ交差においてパルスの有無

力はカロリメータ自体の特性による衝突頻度に比例する

この beam splash については忘れられない出来事がのである。この最初の beam splash に向けて，様々な調

動作回避など，正しいトリガー判定をするために必要なるようにしたつもりであった。実際，宇宙線由来のデーが大きいため，FPGA のリソース使用率の削減とタイ

で，絶対にシステムに問題はないと信じていた。しかし機能を盛り込んでいる。扱うデータ量とファームウエア
ミング違反 の解決が大きな課題であった。最終的には
5

タ取得では ATLAS 検出器全体との同期も取れていたのながら，beam splash が起きる直前に「何か」が起き，

FPGA のロジックの 92%，メモリ 95%を使用しながら，取れていたはずの同期にずれが発生し，取得されたデー

し，Run 3 実験の開始を迎えることができた。

このテストでは数時間前から ATLAS コントロールルー

タイミング違反は 0 というファームウエアの構築に成功

3.2

コロナ禍でのハードウエア製作と導入そしてシステム統合

このアップグレード計画は LHC Run 2 終了後の 2019

年，2020 年の 2 年間の長期シャットダウン中に行われる予定であった。当初，フロントエンドに新規導入するデジタイザーボードの生産はそれほど順調ではなく，むしろ遅れ気味であった。そこにパンデミックが起こったのである。COVID-19 の名前にもある通り，コロナ禍の始

まりは 2019 年であり，自由が奪われたのは 2020 年の3 月であった。ヨーロッパから見れば遠いアジアで始まり，マスクをしないといけないのは大変そうだね，という感じだったのが，全世界に広がり，すべての社会活動を止めないといけない状況になったのである。

もともとプロジェクトの進行が遅れていたところに製作作業が半年ほど止まったことに加え，検査体制を作り上げているところで多数の人が同時に作業できない状況などが重なり，結果としてプロジェクトの完了に 10ヵ

月程度の遅れが出た。このような遅れはすべてのプロジェクトで同様であり，シャットダウン期間は 1 年ほど延ばすことになり，Run 3 の始まりは 2022 年の 7 月になった。

5 1 クロック毎の信号伝達時間に関する要請。FPGA 内でレジス
ター間の経路が長いと１クロックの間に信号が届かないことがある。

タにはあるはずのパルスが見つからなかったのである。
ムにはすべての検出器のエキスパートが集まり，beamsplash 事象に備えていた。皆が喜んでいる中，われわれだけは青い顔をして何が起こったんだと動揺していたのを覚えている。結局のところ，クロック源を ATLAS 中央トリガーシステムから LHC 加速器の RF の信号に移行する過程で同期が外れてしまうことが問題の原因であると判明した。このときのファームウエアは十分にロバストにできておらず，通常なら LHC 周回一周分で同期が回復できるのであるが，その機能をテストしきれていなかったのである。2 回目以降の splash 事象ではシステムの再同期をクロックの移行後に行うことにより，信号を見ることができた。

実際のトリガーで使用するためには，エネルギーとタイミングの較正が必要である。回路系にはナノ秒レベルの調整機能は無く，フィルタリング係数の調整によりSC 毎に較正する。まず，あらかじめ約 1 ns 毎に位相をずらした係数セットを 2 バンチ分（50 ns に相当）準備する。これらを 500pb−1 に相当する衝突データに適用

し，事象毎にエネルギーが最大になる位相を選ぶ。最終的な位相は全事象の最適位相の平均値を採用した。これは検出器からのパルスは凸型で波高がエネルギーに比例する相似形になるので，エネルギーが最大になる位相が6 衝突点の上流 140 m に設置したターゲットにビームを入射，µ粒子を ATLAS 検出器全体に入射させる。カロリメータでは LHC ク
ロックに同期した TeV レベルの信号が見える。
7 この時点では従来のトリガーシステムによるトリガーでデータ取得をしていた。

4

400
350

ATLAS Preliminaly
EMB
15 Jul 2023
Run 456714

106
5

10

104

300
250

103

200
150
100
50
0
0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0.8
L1_EM22VHI

102

0.4

10

0.2

1

0
0

Sum of Cells ET [GeV]

図 3: 実データにおける横エネルギー測定の比較。新デジタル読出し（縦軸）と物理解析用読出し（横軸）を比較。較正後は 5 ％ほどの範囲で一致している [4]。

実際の位相になることを利用している。図 3 は較正後のムの線形性は 250 GeV までしかなかったが，SC 読出し

実際の L1 トリガーの発行は後段のシステムで行われらオブジェクトを再構成し，閾値を超えた事象に L1 トリガーを発行する。このシステムの進歩については大幅な遅れが出ていたが，2022 年の終わりに取得したデータ

で詳細な調整を進めた。2023 年のデータ取得では，LHC

加速器の立ち上げ期8 で最終確認が完了した。このため，

2023 年 5 月以降のデータ取得では新システムを使って発行した single-EM トリガーに完全移行している。2023
年現在は新システムの不具合等による dead channel は0.3%と低く，順調に運転をしている。図 4 に示す通り，
従来のシステムと比べ，新システムのトリガー効率の立

ち上がりは鋭く，それ以降の効率も高い。背景事象の抑制能力が高く，トリガー頻度を 25%ほど削減している。

これはほぼ計画通りの性能である。

10

20

30

40

50

60

70

subleading e
T

60
50
40

ATLAS Preliminarys=13.6 TeV
eFex ET>25GeV, w/identification
Legacy E >22GeV, isolatedT20

では 500 GeV まで 5% の範囲で良い一致が得られた。

る。LATOME から送られた同じ事象の横エネルギーか

ATLAS Preliminary
LHC Fill 8695
s=13.6 TeV
w/o OVL

30

る物理解析用の読出しを比較した図である。従来システ

デジタルトリガーの性能

L1_eEM26M

p

横エネルギーについて，SC 読出しとよく理解されてい

3.3

1

0.6

L1 Rate [kHz]450

L1 Efficiency

500

Entries per 5×5 GeV2

T

Super Cells E [GeV]

71

10
0
0

0.5

1

1.5

2

2.5

Instantaneous Luminosity [1034 cm-2s-1 ]

図 4: 新デジタルカロリメータトリガーシステムの性能。
上:L1 トリガー効率の横運動量依存性。新システムが青■，従来が赤●で示している。下: そのときの L1 トリ

ガー頻度 (新システムが青、従来がピンクで表示)。新シ

ステムの方が従来トリガーより高い効率を持ちつつ，ト
リガー頻度を 25%ほど抑制している [5]。

4新型検出器と新電子回路による L1

4.1

新型検出器 New Small Wheel

ミューオントリガーの改善

加速器の高輝度化に伴い，放射線量の高いトロイド磁場内側の前方ミューオン検出器の効率が落ちることが，シミュレーションの結果から判明していた。またミューオン検出器にあるドリフトチューブの hit occupancy が高くなってくると，正しい飛跡を引けなくなってしまう。これらの問題を解決するため，高レートに対応したミューオン検出器として，新しい検出器 New Small

Wheel (NSW) に置き換えるアップグレードが 2013 年より計画された。この検出器は，二つのテクノロジー

8 毎年の LHC 加速器の立ち上げは 1.5ヶ月ほどかかる。beam splash

や重心系エネルギーも 900 GeV での衝突などを経て，13.6 TeV まで到達する。そのあとは，⟨µ⟩ が低く，バンチ数も数個から始まり，
徐々に瞬間ルミノシティを上げていく。

をそれぞれ 8 層，計 16 層備えた検出器である。一つ目

はワイヤー・ストリップの２次元読み出し検出器である Thin-Gap Chamber (TGC) を改良した small-strip

572

3/45+,"&+2)'%
1%02!"#!676)899:

3*014(5/)*2*&/'(1*+!676,899:

図 5: NSW に用いられている各検出器の内部構造 [2]。
上が sTGC で下が MicroMegas である。

TGC (sTGC) であり，名前通りより細いストリップをもつ。またリードアウトするデータ量を削減するために，読み出すストリップを判断するパッドも存在する。もう一つのテクノロジーは Micro Pattern Gas Detector (MPGD)の一つである MicroMegas 検出器であり、位置分解能に優れている。それぞれの内部構造を図 5 に示す。

図 6: 完成した 2 枚目の NSW が ATLAS 検出器のあるサイトまで運ばれたときの写真。大変良く晴れた日であった [6]。

ATLAS NSW Preliminary run 438502
4

0.95

2

0.85

0

かつ複雑なシステムであることに起因する技術的な困難−2

ルを完了させることが大きな懸念事項であった。コロナ−4

アップグレードの一丁目一番地とされていたが，大規模せたことにより，2021 年終わりに地下へと下ろすことのデータ取得に参入させていく形を取った。検出器安

定運転のための改良は日々導入されており，2022 年 11月時点における，ミューオンに対して sTGC もしくはMicroMegas のどちらかで 4 層以上のヒットを検出できた効率を図 7 に示す。効率の低い部分が特定の領域で見受けられるが，これはチェンバー自体や前段回路の不具合などによるもので，現時点でも多くの研究者が改善に向けて動いている。

9 インストールを別の時期に延期する案や、片側一台のみインストールする案なども議論されていた。

−2

0

2
4
global X / m0.5

図 7: NSW のミューオンに対する効率 [7]。

が出来た（図 6）9 。

行に走らせ，準備が出来たパートから段階的に ATLAS

0.55
−4

設を止めなかったことに加え，Run 3 の開始も 1 年遅ら得を行ってきた。その裏で NSW のコミッショニングを平

0.65
0.6

禍でも最優先事項として感染対策を取りつつ現地での建実験としては NSW の状況に左右されない形でデータ取

0.75
0.7

により開発・製造が遅れ，Run 3 開始までにインストー

検出器自体が LHC のビーム開始直前にインストールさ

0.9
0.8

このアップグレードは Run-3 に向けた ATLAS 実験れたこともあり，2022 年の Run 3 開始直後から ATLAS

1∈ (4/8 sTGC Strip or MM hits on track)$%&'()*+,%-%.+/)'%0!"#!%220'+$%&'()$*+,

global Y / m!4--&/0-'%./)"0/,(1*4.2

L1 ミューオントリガーの改良

L1 ミューオンシステムでは，基本的にトロイド磁場によって曲げられたミューオンを測定してトリガーの判断を行う。Run 1 から L1 ミューオンとしての最大の問題は，1.05 < |η| < 2.4 領域のエンドキャップ部におけるミューオン以外の大量のバックグラウンド事象（フェイクミューオン）であった。このフェイクミューオン事
象は，エンドキャップトロイド磁石の構成物と原子核反応を起こして生成される低運動量の荷電粒子10 であると知られている。この荷電粒子が，トロイド磁場の外にあるミューオン検出器にとっては衝突点から高運動量で来ているように見えてしまうものがある。この外側にあるビッグホイールと呼ばれる TGC 検出器だけではこの
10 正電荷の粒子が多い。

673

違いが判断できないため，トロイド磁場よりも内側の検出器とコインシデンスをとることでフェイク事象を認識し，排除する必要がある。このエンドキャップ部分の L1

ミューオンシステムは，日本がほぼ 100%運転からシス

テムの保守 · アップグレードまで担当しているシステムである。高効率で安定した運転は達成しているが，バッ
クグラウンドも多いという評判であり，この対処が至上命題であった。

問題の対処はすでに Run 2 の頃から行われており，トロイド磁石より内側に設置された TGC 検出器やタイル
カロリーメータとのコインシデンスを取ることで対処されてきた [8]。これは一定の成功を収めたが，検出器の位置分解能の限界や |η| > 1.9 の領域をカバーしていなかったことから，バックグラウンドを十分に排除できていなかった。Run 3 に向けて NSW が導入されたことにより，L1 ミューオンシステムもそれを利用する形にアップグレードすることとなった。大きな変更は NSW

からの大量のデータを処理するためにセクターロジックと呼ばれるミューオン候補を計算する電子回路（図 8）を刷新することである。このプロジェクトは多くの大学院生が活躍し，学会発表や修士論文として形になっている11 。ひと言で「刷新した」と書いているが，2013 年

秋の TDR の発表後，一からセクターロジックの設計，それに伴い必要となった周辺の電子回路，トリガーデー
タを読み出す新しいソフトウエア読み出しシステムの開発，そしてそれらを認めさせる複数回の承認会議やテス

トビームでの実証など，多くのことが必要であった。他の ATLAS アップグレード計画が遅れた中，スケジュー

ルに完全に乗った状態でレビューを通過，必要な数のモ
ジュールの製作を 2018 年に完了した。

この新しいセクターロジックボードを始めとする必要なシステムの入れ替えと配線を，コロナ禍前の 2019 年に完了していた。これにより 2020 年のコロナ禍で現地に日本人研究者が滞在できない状況でも，リモートでソ

フトウエア的な開発やコミッショニングを続けることができたことがその後の成功につながる。実際に CERN

では研究活動が日常に戻っていき，ATLAS 実験全体でのコミッショニング・ランなどが行われるなか，日本からはまだ海外出張が難しい時期も存在した。これまでのように現地に滞在出来ないことによる危機感もあったが，ごくわずかな現地研究者と，日本からリモート接続で参加できる状況を整備できたこともあり12 ，しっかりとした準備期間が確保できた。コロナ禍においても研究を止めずに活動できたこともあり，L1 ミューオンのエンド

キャップ部では Run 3 開始時から安定したトリガーの供給に成功した。

11 数えると計 17 篇の修士論文が各大学から出版されている。

12 日本では運転に携わる数名が KEK 等に集まり，ZOOM 接続によるリモートコントロールルームとして活動した。

図 8: 新セクターロジックの写真。VME 9U サイズのボードに Xilinx 製 Kintex-7 の FPGA を搭載し，前面には光ファイバーを接続するための SFP+/SFP コネク

タが敷き詰められている。ATLAS のミューオンエンド

キャップ部をカバーするためには，このボードを 72 枚使用する。

Run 3 のコミッショニングの大きなステップとしては，

NSW などの内部ミューオン検出器をトリガーに組み込むことである。2021 年には NSW をトリガーとして一刻も早く使用するため，NSW とトリガー・DAQ のエキ

スパートを集めたタスクフォースが結成された。安定した飛跡検出が NSW でできなければ，決してトリガー検出器として使用することができない13 。NSW の信号を

セクターロジックまで伝える時間が延びてしまっている

こと，複雑なシステムによる技術的な困難，コミッショ

ニングを続けるためのマンパワーとしての問題もあり，
本来うたっていた「ベスト」でなくても，確実にできるオプションから始めることなどが決定された。実際には

sTGC 検出器，それもパッドという粗い読み出し単位で信号を読み出し，この情報のみをトリガーに用いる，という話になった。sTGC のストリップ信号や MicroMegasの情報は，それが完了してから，順々に運用しようという話になった。タスクフォース結成時から優先順位を定義したことにより，必要な作業項目はシンプルになったが，長時間の口論も毎週することになった14 。

NSW 導入に向けたコミッショニングが前進してきた

一方，LHC のルミノシティの供給も順調で瞬間ルミノ

シティはどんどん高くなっていく状況であった。2023 年

初頭には L1 トリガーレートの上限である 100 kHz の壁

13 今のトリガー効率を維持してバックグラウンドだけを落とすことが大事であり，ミューオン信号も落としてしまっては意味がない。
14 各国担当している検出器・システムが違うため，予算状況やマンパワーを始めとするリソースや，検出器自体とトリガーを運用する者の立場の違いなど，様々な観点で全員が賛同することは難しかった。

7

dN/dη

74

0.06

メソンの崩壊による二つのミューオンでは距離が近いことなどを要求に加える必要があり，これら「トポロジカ

ATLAS Preliminary

0.05
0.04

ルな情報」をハードウエア上で利用するためのロジック

Data 2023, s = 13.6 TeV
L1_MU14
L1_MU14 with Tile/NSW coincidenceも実装しており，今後の物理解析の一助になると期待し
ている。

0.03
0.02

前述の通り，Run 3 から陽子・陽子衝突のエネルギー

0.01
0
−2.5

Run 3 での物理成果

5
−2

−1.5

−1

−0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

RoI

η

図 9: Single-muon トリガーが発行した際のミューオン

候補 (Region-of-Interest) の η 分布 [9]。面積がレートに比例する。本来，真のミューオンはほぼフラットに分布するが，ヒストグラムに示すように |η| > 1.0 の領域に多くのフェイクミューオン事象があった。タイルカロリー
メータと NSW とのコインシデンスで半分近くに落とす

ことに成功した。|η| < 1.0 の統計的なギザギザは検出器の構造による影響である。

により，いよいよ ATLAS 実験は CMS 実験よりも低い⟨µ⟩，つまり低い瞬間ルミノシティでしかデータ取得できないことがわかってきた。トリガーとして運動量の閾値を上げるか，デッドタイムを許容せざるを得ないのかな

どの議論と共に，NSW も早急に入れる必要に迫られた。

一部の妥協も伴う様々な改良，そして素早いパフォーマ
ンスチェックにより，2023 年 6 月には一部分を，そして7 月には 3 分の 2 ほどの領域で NSW とのコインシデンスを稼働することに成功した。

NSW を要求することによるパフォーマンスの改善は

図 9 の通りである。タイルカロリーメータと NSW の信号との同期をとることにより，効率の低下を 5%に抑えつつ，トリガーレートを 8 kHz 削減することに成功した15 。ほぼ想定通りのレート削減量を達成できたこと，2023 年初頭に期待されたより早く導入できたこと

で，ATLAS のデータ取得運転に貢献できたことは素晴らしかった。一方で，コインシデンスを要求できていな
い領域や 5%ほどの効率低下は，NSW 検出器自身の効率が低いためである。この改善のための NSW 検出器側での調整作業も鋭意進行中である。

また，今回のアップグレードでは，フレーバー物理の感度を改良するための工夫が多く組み込まれている。たとえば B メソンの崩壊からのミューオンの統計を稼ぐ

ためには，低い運動量のミューオンを捕まえる必要がある。これらは単純に運動量の閾値を下げるわけにはいかないため，ミューオンの電荷識別や，ブーストされた B

15 タイルカロリーメータで約 2 kHz，NSW は 3 分の 2 の領域を有効化して約 6 kHz の削減であった。

を 13.6 TeV に上げて実験を行っている。重心系エネル

ギーは Run 2 実験の 13.0 TeV から 4.6%上げたことになるが，重い粒子の生成断面積ほどその効果は大きい。
例えばトップクォークの対生成の場合 11%，質量 5 TeVの新粒子（または 9.5 TeV のブラックホール）においては 1.5 (2.5) 倍になる。このような直接探索の解析は進行中であり，後のニュースに任せる。今回は LHC 実験において基準プロセスとなっている Z ボソンと，tt̄ の生成過程の生成断面積の測定，そしてヒッグス粒子の解析結果について紹介する。

5.1

Z ボソンと tt̄ 生成断面積測定

Z ボソンは LEP 実験において不変質量が精度よく測られているので，様々な較正に使う基準球の役割を持つ。
二つのレプトンに崩壊する過程を用い，電子，ミューオ
ン，そして τ のエネルギーや運動量測定の補正, トリガーやオブジェクト再構成効率の測定を行っている。トップ
クォークの対生成も同様で, ジェットのフレーバー（b または c クォーク由来）識別の性能測定に不可欠である。

物理の観点からも QCD や QED の PDF や生成断面積に対する高次補正 (NNLO+NNLL) がどれだけ正しいかを検証できる。tt̄ の生成断面積は, 真空安定性の議論に不可欠なトップクォークの質量にアクセスできる重要なパラメターであり, この測定精度の向上は重要課題のひとつである。

Z ボソンの解析は電子対とミューオン対を再構成し, その電荷が反対の事象を使う。tt̄ の解析には, t → W + b とt̄ → W − b̄ を再構成する。これらの W ボソンが反対の電荷をもった電子とミューオンに崩壊した事象のみを用いることにより、背景事象を抑制した。そして b クォークの再構成はジェットとして再構成されたオブジェクトを選び,

しかもそれが深層学習を用いた識別器により b クォーク由来であることを要求する。ちなみにトリガーは single-EMまたは single-muon を使っている。tt̄ 生成断面積の測定値

は σtt̄ = 859 ± 4(stat.) ± 22(syst.) ± 19(lumi.) pb が得られた。図 10 に tt̄ 生成断面積の pp 衝突エネルギー依存性√√を示している。 s = 5.02 TeV の測定点から最新の s =13.6 TeV の結果まで理論計算値と誤差の範囲でよく一致

8Inclusive tt cross-section σ t t [pb]103

σpp →H [pb]75

ATLAS Preliminaryeµ + b-tagged jetsl l + b-tagged jetsl + jets

Ratio wrt PDF4LHC21

4

6

8

8

10

PDF4LHC21

10

12

QCD scales only

30

Total uncertainty (scale ⊕ PDF+α s)

1214s [TeV]

する結果となっている。Z ボソン生成断面積の測定値は

ﬁd.
σZ→ℓℓ
= 751±0.3(stat.)±15(syst.)±17(lumi.) pb と得られた。測定誤差に注目すると，統計誤差は小さく、ルミ

ノシティー測定起因の影響が大きく、その他の系統誤差と√同程度になっている。 s = 13.6 TeV におけるこれらのﬁd.
を取ると, このような共断面積の比 Rtt̄/Z = σtt̄ /σZ→ℓℓ

通の系統誤差が相殺することができる。この比に対する理= 1.245±0.076 (scale + PDF) に対し、論予想は Rtheory
tt̄/Z

測定結果は Robs
tt̄/Z = 1.144±0.006(stat.)±0.022(syst.)±0.003(lumi.) となり、誤差の範囲でよく一致する結果であった。

H → γγ, ZZ ∗ の生成断面積測定

もう一つの 13.6 TeV データの解析は, ヒッグス粒子

発見チャンネルである 2 光子と ZZ ∗ に崩壊する過程を用いた生成断面積測定である [11]。使用したデータセッ

トは積分ルミノシティにして 31.4 fb−1 (H → γγ) と29.0 fb−1 (H → ZZ ∗ ) に相当する。H → γγ はカロリ
メータの有感領域内で再構成された 25 GeV 以上の光子を用いる。これらの事象は single-EM(single-MU) だ

けでなく，2 つの電子（ミューオン）が事象に含まれる

場合には，それらを閾値のより低いエネルギー（運動量）閾値を課すことにより，高いトリガー効率16 を実現

s = 7 TeV, 4.5 fb-1
s = 8 TeV, 20.3 fb-1
s = 13 TeV, 139 fb-1
s = 13.6 TeV, 29.0-31.4 fb-1

20
10

14

図 10: tt̄ 生成断面積測定結果 [10]。

5.2

QCD scale uncertainty

40

NNLO+NNLL (pp)Czakon, Fiedler, Mitov, PRL 110 (2013) 252004
mt =172.5 GeV, PDF+ αS uncertainties from PDF4LHC21
6

SM σ (pp →H , mH = 125.09 GeV)

H →γ γH →ZZ *→4l
Combined H →γ γ + H →4l

50s = 7 TeV, 4.6 fb -1
s = 5.02 TeV, 0.26 fb -1

PDF4LHC21+scale

80

ATLAS

60

s = 13.6 TeV, 11.3 fb -1
s = 13 TeV, ≤ 139 fb -1
s = 8 TeV, 20.2 fb -1

102

4

90
70

combined

1.1
1.05
1
0.95
0.9

100

0

7

8

9

10

11

12

13
14
s [TeV]

図 11: H → γγ ，ZZ ∗ チャンネルを用いたヒッグス粒

子の生成断面積測定結果 [11]

想値は σ(pp → H)SM = 59.9 ± 2.6 pb である。これは少なくとも 1 次ループまで考慮に入れた NLO，最大 3次ループ (ggF プロセス) までの高次計算の結果である。
これら解析はヒッグス生成プロセスによらず，ヒッグス粒子からの崩壊モードのみに注目して生成断面積を測定している。2 光子モードは一つのカテゴリで 2 光子の不変質量分布から再構成されたヒッグス粒子の数を抽出した。

ZZ ∗ モードについては四つ (4e, 4µ, 2e2µ, 2µ2e)17 の終状態によるカテゴリを定義し，再構成した不変質量分布から再構成されたヒッグス粒子の数を抽出している。これから再構成効率や検出器の不感領域などを考慮し，全断=面積を導出した。測定結果としては σ(pp → H)H→γγ
obs

H→ZZ
67+12
= 46 ± 12 pb が−11 pb，そして σ(pp → H)obs∗

得られた18 。これらの結果から全断面積に変換および統合し，σ(pp → H)obs = 58.2 ± 8.7 = 58.2 ± 7.5(stat.) ±4.5(syst.) pb を得た。上記の高次効果を含めた理論予想

値と良い一致が見られる。図 11 は 2010 年から現在までの重心系エネルギー 7 TeV から 13.6 TeV の測定点を重心系エネルギーの関数として示す。これら一連の結果を出したことは，ATLAS 検出器を使った解析の準備がすべて整ったことを意味する。検出器の正常稼働によるデータ取得，MC 事象生成，オブジェクトの再構成およびその補正など，様々な過程の集大成である。今後，これらを使った様々な解析結果が楽しみである。

今後の展望している。H → ZZ ∗ は反対の電荷をもつ電子対また6はその不変質量が Z 辺り, もう一つはそれ以下である

66 fb−1 のデータを取得済みである19 。このデータセッ

はミューオン対を 2 組から再構成し, 一つの Z ボソン

ことを要求した。ヒッグス粒子の質量は測定値である
125.09 ± 0.24 GeV を仮定している。重心系エネルギー
13.6 TeV におけるヒッグスボソンの全断面積の理論予
16 Oﬄine 解析での事象選択条件で 99%以上の効率を達成。

2022 年 7 月に Run 3 実験が始まってから今までに17 それぞれのカテゴリの中でのレプトンの順番は横運動量の大きさの順を示す。これら４つで崩壊分岐比が異なることもあり，別々に解析している。
18 このそれぞれの結果と統合結果を比較した p 値は 20%である。
19 順調な運転をしていたが, 7 月 17 日に LHC の 1 区間で真空漏れが起きてしまった。この復旧には最短でも 40 日ほどかかることにな976

トで新粒子探索や lepton universality を破るような物理の解析など，数多く進められている。Run 3 実験は 2025
年末までで，200 fb−1 程度のデータ取得を見込んでいる。Run 1 実験から合計では 400 fb−1 程のデータセッ
トとなり，H → µµ の発見による第二世代のヒッグス湯川結合が明らかにできる。これだけの高統計になると，
ヒッグスセクターの CP 非保存など，ヒッグスセクター

で標準模型を超える物理が見えてくるかもしれない。もちろん，有効場理論に基づいた Dimension 6 のウィルソン係数に新物理の兆候が見えてくる可能性も大いにある。HL-LHC 実験にむけたアップグレードの佳境を迎える時期でもあるが，そこに向けた様々な新しいアイデ
アを次々と試す非常に良い機会である。現在は Run 3の検出器運転，HL-LHC に向けた準備と並行して，時間を見つけて解析にいそしむ日々である。エキサイティ
ングなニュースがいつなのかは約束できないが，今後もATLAS 実験の結果にご期待いただきたい。

参考文献

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[8] 青木雅人, 高エネルギーニュース「LHC ATLAS
実験の最新状況」 37-1, 30 (2018).

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Tile and NSW inner-coincidence for the L1Muon
Endcap trigger”, PLOT-TRIG-2023-08, (2023).
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collisions at s = 13.6 TeV with the ATLAS
detector”, ATLAS-CONF-2023-006 (2023).
[11] ATLAS Collaboration, “Measurement of the
H → γγ and H → ZZ ∗ → 4ℓ cross-sections in√
pp collisions at s = 13.6 TeV with the ATLAS detector”, ATLAS-CONF-2023-032, arXiv:
2306.11379 (2023).

[1] ATLAS Collaboration, “LAr Calorimeter Phase1 upgrade Technical Design Report”, CERNLHCC-2013-017 (2013).
[2] ATLAS Collaboration, “New Small Wheel Technical Design Report”, CERN-LHCC-2013-006(2013).
[3] G. Aad et al., “The Phase-I Trigger Readout
Electronics Upgrade of the ATLAS Liquid Argon Calorimeters”, JINST 17 P05024 (2022).
[4] ATLAS[7] ATLAS Collaboration, “New Small Wheel
performance plots”, MDET-2023-02 (2023),
https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/

Collaboration,

“LAr

Digi-

tal trigger performance plot”,
PLOTLARG-2023-01(2023),
https://twiki.
cern.ch/twiki/bin/view/AtlasPublic/
LArCaloPublicStableBeam2022DT.
[5] ATLAS
Collaboration,“L1Calo
performance plots in early 2023”,
PLOTTDAQ-2023-02(2023),
https://twiki.
cern.ch/twiki/bin/view/AtlasPublic/
L1CaloTriggerPublicResults.
[6] CERN, “Movement of ATLAS small Wheel
C”, CERN-PHOTO-202110-154 (2021), https://cds.cern.ch/record/2784119.

り, 2023 年内には pp 衝突での本格的な運転はできない見込みとなった。復旧後は重イオンのデータ取得を行う予定である。