ATLAS Detector
K. HaraPhysics, U TsukubaParticle Physics GroupCiRfSE Workshop 2015.3.12

Higgs 粒子の発見 2013
H

‐γZZ

e‐H

+

事象数

γe+

Lorentz不変質量2Quarks (s=1/2)

ctup

charm

topg
gluon

ds

b

down

strangebottom

Leptons (s=1/2)

ee‐neutrino‐neutrino‐neutrinoe

electronmuon

tau

Higgs boson

WW boson

ZMass

Z boson(s=0)

electroweakustrongForce (s=1)

photon3

新粒子を発見する
新粒子の質量測定
XaABb

X→A+B＋C＋… に崩壊するとき、A, B, …のエネルギーと運動量をすべて測定すればXの質量が分かる

Einsteinの関係式

Em c    pc 
02 22

エネルギー保存：
運動量保存：

どんな運動系ででも静止質量は計算できる← 相対論的に不変な質量：不変質量「汎用素粒子検出器」
発生する粒子の種類、運動量、エネルギーを、広い運動学領域（~４π）で精度よく測定する。
4

CERN(Meyrin site)

ATLAS

CMS

LHC加速器（ヒッグス研究）
5

ATLAS検出器

ATLAS (A Toroidal Apparatus)検出器

6衝突型検出器のいくつか
ILD: 14mDx13m

SiD: 12mDx12m

CDF:12mHx16m

UA1:6mHx10m

UA2:4mHx6m

7
CMS:15mDx30m

22mDx44m

7

ATLAS での粒子同定・運動量測定
Muon
Spectrometer
7ｍ

4.25ｍ

Hadroncalorimeter(>5λ)λ=20cm for Fe2m

EMcalorimeter
50cm

InnerDetector

1.2m

pTpT
2(>25Xo)
Xo=5mm for Pb
L2720
N 48汎用衝突型検出器構成の分類
差異~検出器のtechnology , solenoid の位置
Muon
Muon
Hadron calorimeter
EM calorimeter
tracking
ATLAS, D0: thin solenoid (~2T)+muon spectrometer
Muon
Hadron calorimeter
EM calorimeter
tracking
CMS, ILD,SID,H1:
good E‐meas、large solenoid(~5T)

Hadron calorimeter
EM calorimeter
tracking
CDF, UA1,ZEUS,OPAL:
compact, thin solenoid
Muon
Hadron calorimeter
EM calorimeter
tracking
ALEPH, DELPHI:
compact, ~thin solenoid9ATLASソレノイド電磁石
2.4mDx5.3mL (2T)

Support (Al)ちなみに,,,
3.0mDx5.0mL (1.5T)

2000
Toshiba‐KEK
0.66Xo (90deg)
NbTi/Cu‐Al conductor

30mm
NbTi/Cu
Al stabilizer

1984
CDF: Hitachi‐Tsukuba
0.84Xo (90deg)
NbTi/Cu‐Al conductor

大強度磁場の生成＝超伝導(⇒発熱量小⇒冷却・電線の質量小)：薄型超伝導

1961: Nb3Snによる高磁場超伝導の発見(１か月後）LBLでバブルチェンバーの超伝導化の検討
1969: Argonne Bubble chamberの超伝導化 (NbTi)

10ATLAS トロイド電磁石
2004.10

2007.5

Endcap toroid
5m deep

Central toroid
25.3m long11

エネルギー測定：ハドロンカロリメータ
核反応を起こす金属板（Fe)
荷電粒子をシンチレータで検出入ってきた粒子のエネルギーに比例した電流が光検出器から得られる

シンチレータ＋波長変換ファイバ→ 光検出器
シンチレータの“縦置き”
シンチサイズが11種類
WLSファイバーを接合しやすい奥行き分割(＝３)しやすい

12位置測定：SCT半導体飛跡検出器

80um pitch x 768ch(64mm x 128mm)

13

ロボットアームによるモジュール据付

14

LHC roadmap
PHASE‐0 (2015) IBL
PHASE‐I (2018) FTK – designed LHC 1x1034/cm2/s

PHASE‐II (2023) all silicon tracker ITK– high luminosity LHCleveling
5x1034/cm2/s

τ=16→8hｘ1/515

IBL (Insertable B‐layer) from 2015

RUN‐1IBL inserted 2014.5

3→４ pixel layers
Closest measurement 3.3cm from IP
Significantly improves light‐jet rejection
50x250um n‐on‐n & 3D

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Why HL‐LHC?
• ILCが完成するまでEnergy Frontier実験(ILCが完成しても物理は相補的）• Higgs分岐比の精密測定、Higgs自己結合• HL‐LHCのための技術開発は将来の高エネルギー加速器(HE‐LHC, VLHC,,,)実験の礎

17

HL‐LHC Physics Reach
H→μμpp→HH(→bbγγ):#signals=14 if λHHH=0#signals=8 if λHHH=1#bkgr=47～1.3σ /3000fb‐118

ビーム交差あたりの反応数 <μ>For luminosity: 5 x 1034 cm‐2s‐1<μ>=125Run‐1data

200 pp collisions/crossing simulation

New Inner Tracker (ITK)• Fast response⇒all Si• Occupancy/ch <1%⇒smaller ch• Radiation hard (x10)• …..
(tracking performance betterthan present ID)

UPGRADE Baseline (LoI 2012) Design
Present: pixel(50x600um)
strip (80umx12.4 cm)
2+1 Long strip layers (74umx4.8cm)
3 Short strip layers (74umx2.4cm) :74Mch
4 pixel layers (25x150um,50x250um:638Mch)
Occupancy (%) for μ=200
Momentum resolution (vs current ATLAS)

Pseudo‐Rapidity ηη= −ln tan(θ/2)

20Least material is important forMaterial

 Better energy measurement by Calorimeters
 Minimize Coulomb scattering Minimize secondary interaction

Baseline ITK

RUN‐1 ID

21

UPGRADE AGGRESSIVE DESIGN
Tracking down to η=4.0 (θ=2o): better coverage for multi‐lepton events(control SM background for HH production)

Pixel < 1.3x1016 /cm2,11 MGy
Strip < 6x1014 /cm2,3.5 MGy(current Pixel<1015, Strip<1014)

Radiation Hardness
現行 p‐on‐nhhhn

HL‐LHC n‐on‐peeep

P型センサー(電子を収集）は従来のｎ型より、放射線耐性があり、HL‐LHCでも十分な信号量が得られる S/N>20
K. Hara et al., NIM A636 (2011)S83.

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Stave: baseline

New SCT – strip module
1280 strips

x13
256ch‐ABC130

ABC130 (256ch)

Amp+shaper+comparator
L0buffer (256/40MHz=6.3us)
L0A:calorimeter/muon in 6us
L1buffer (256/500kHz=512us)
L1A:calo/muon/FTK in ~30us

Silicon wafer(10cm□)

アンプ＋デジタル化
data to FTK(50kHz)

R3

x256
depth
L0A

L1bufferでは直ちにclusteringをし、RoIに指定されたdataはFTKprocessorに転送

x256
depth

L1A

L1buffer←3time slots

RoI

data to FTK(50kHz)

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Stave ‐ baseline
No major difference in performance
Baseline : same concept also for endcap

Barrel SCT ‐ backup

25New PIXELs – 放射線耐性, cost,….
• Standard Planer Pixel– 150um high resistive silicon [n‐on‐n (inner) and n‐on‐p(outer)]• 3D Sensor– Used in IBL• Diamond

FE‐I4 front‐end chip
CMOS130nm– Used in BCM• CMOS– New, cheap

CMOS

P‐substrate
HV

3D150um
BB150um26

bonding (SnAg)
Planar p‐bulk pixel1. BumpNoise
distribution
4‐chip test module(chip=2x2cm)

2. optimize bias routing
3. Edge protection

0. radiation tolerance27まとめ• ATLAS検出器は予定通りに稼動し、Higgs粒子を発見した。精度の高い測定を継続するために、加速器および検出器のUPGRADEが行われる。
• 2023年以降のHL‐LHCでは、すべてシリコン検出器で構成されるITK– PIXEL検出器(candidates – cost, rad‐hardnessでchoice)– STRIP検出器(sensor selectionはほぼ決定)• PHASE2 upgrade技術設計書2016年• 建設開始2017年
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