ATLAS 実験の概要
佐藤 構二
2016年1月19日
CiRfES Workshop

LHC実験

スイス・アルプス山脈

世界最高エネルギーでの素粒子研究
14 TeVでの陽子・陽子衝突

ジュネーブ市街

CMS実験

LHC実験は始まったばかり。
新しい物理の発見が期待される!!

ATLAS実験

円周27km2
陽子を7 TeVまで加速して正面衝

LHC実験

スイス・アルプス山脈

世界最高エネルギーでの素粒子研究
14 TeVでの陽子・陽子衝突2010年 LHC加速器稼動開始。
2011‐12年 物理Run開始。7 ‐ 8 TeV, 25 fb‐1のデータ取得。
2012年 LHC加速器のATLAS/CMS両実験がヒッグス粒子を発見。
2015年 エネルギーを13 TeVに増強, 4fb‐1のデータ取得。
2016‐18年 13/14 TeV．100 fb‐1 。
ジュネーブ市街
2023年 300 fb‐1のデータセット。
203X年 3000 fb‐1の大データセット。

CMS実験

LHC実験は始まったばかり。
新しい物理の発見が期待される!!

•••••••

シリコン検出器
飛跡検出器
ソレノイド磁石
電磁カロリーメータ
ハドロンカロリーメータ
トロイド磁石ミューオン検出器

ATLAS実験

円周27km3
陽子を7 TeVまで加速して正面衝

ATLAS検出器

総重量 7,000 t• 最高エネルギーでの、さまざまな素粒子反応の研究• ヒッグス粒子、標準理論、トップクォーク、Bメソン、超対称性、新物理探索、重イ4オン衝突…

ATLAS実験

40カ国3000名の共同研究者

日本：
高エネルギー研究機構、筑波大、東京大、御茶ノ水大、早稲田大、首都大、東京工大、首都大、信州大、名古屋大、京都大、京都教育大、大阪大、神戸大、岡山大、広島工大、九州大、長崎総合科学大 5

CMS検出器• LHCのもうひとつの高エネルギー素粒子実験

総重量 12,500 t

6

ヒッグス粒子発見

2012年7月4日 LHC加速器のATLAS/CMS両実験が発見を報告
2013年 アングラール、ヒッグスがノーベル物理学賞を受賞
7

ヒッグス粒子の性質(標準理論の計算)• 生成断面積
8 TeV

13 TeV

8ヒッグス粒子の性質(標準理論の計算)
さまざまな生成・崩壊モード• さまざまな測定を行い、標準理論を検証できる。
重心エネルギー8 TeV⇒13 TeV• 生成断面積は、2‐5倍。
• Ｒｕｎ２では、たくさん作って様々なチャンネルで精密測定する。

• 崩壊分岐比125 GeV)

→→→→

57.7%

6.32%

0.022%

0.029%

→→→→

→

8.6%

0.23%

0.15%

21.5%

2.64%

4.07

9

Run1での信号の有意度

ＡＴＬＡＳ、ＣＭＳ個別3σ：”兆候が見えた“5σ：“発見した”• メインの生成・崩壊過程はほぼRun 1で発見がすんだ。
• ＬＨＣ Run 2では、一個一個の過程の理解を確立し、精密測定に入っていく。

ＡＴＬＡＳ＋ＣＭＳ

10ATLAS-CONF-2015-044

結合の測定•と定義して測定結果を で示す。
– 標準理論どおりなら

1The error bars indicate the 1σ (thicklines) and 2σ (thin lines) intervals.

••

いまのところ、標準理論の予言とよく一致しているが、測定誤差が大きい。
今後、データを増やして精密測定していく。
→ 標準理論からずれていれば、新しい物理がそこにある!!
11

ATLAS-CONF-2015-044

結合の測定•と定義して測定結果を で示す。
Run1での標準理論を超えるヒッグス物理の結果：– 標準理論どおりなら
1

永田君、渕君のトーク。

••

The error bars indicate the 1σ (thicklines) and 2σ (thin lines) intervals.

いまのところ、標準理論の予言とよく一致しているが、測定誤差が大きい。
今後、データを増やして精密測定していく。
→ 標準理論からずれていれば、新しい物理がそこにある!!
12

ATLAS-CONF-2015-044

LHC in 2015
Successful learning year of Run 2 ( =13 TeV, 25 ns bunch spacing).
•=8 TeV, 50 ns in Run 1.
 The initial projections of integrated luminosity for 2015 were ~8-10 fb-1.
 Finally achieved > 4 fb-1 for ATLAS and CMS
 Slope at the end of the run better than in 2011, and not far from 2012 slope

More than 1 fb-1 produced last week of proton-proton operation
 The main reasons for thelower value:o― Start-up delays (~6 weeks)― Availability issues (radiation

failures on the quench
protection tunnel electronics –solved now)
― Difficulties to master electron

clouds → slower intensity
ramp-up

2015データでの13測定

重い新粒子の生成しやすさ
陽子から、新粒子Ｘを作り出すだけの高エネルギーのグルーオンやクォークを引っ張り出す確率は、陽子を高エネルギーに加速すれば高くなる （Parton Distribution Function)。
8⇒13 TeVの加速器エネルギー増強は、 質量1(2) TeVの新粒子の生成を3‐5(5‐10)倍にする。Run 2では新物理の発見ポテンシャルは大いに上がる。

Eur.Phys.J.C63:189‐285,200915=> 2015データでの新物理探索については、大川さんのトーク。

Possible performance after YETS2016 – Production year, setting stage for Run 2:
o6.5 TeV

β* reduction to 40 cm in ATLAS and CMS (* = 80 cm in 2015)o Limited the maximum number of bunches to around 2400 for2015 due to weakness of injection protection device.
ooExchange planned during winter stopoNumber of bunch (design) = 2808.
Peak lumi
E34 cm‐2s‐1

Days protonphysics

Approx. int lumi
[fb‐1]

2015~0.5~5042016

1.2

160~3516

LHCの長期計画• High Luminosity-LHC計画

HL-LHCで到達できるヒッグス測定の精度• Run 1で 10%だった測定が、14 TeV, 3000 fb 貯めれば2 5%の精度で測定できる。
Run 1での精度

HL‐LHCで期待される精度

HL-LHCでのInner Detector• 現行のPixelは400 fb 、SCTは600 fb 、IBLも800 fb の積算
ルミノシティ相当の放射線までしか耐えられない。
• 瞬間ルミノシティも高くなるため、TRTのoccupancyも問題になる。
.

1/

LHC

HL‐LHC1052310140• IDを総入れ替え、すべてシリコン検出器にする。
– 5 pixel + 4 strip layers– 方向のカバレージを広くする。

HL-LHCでのInner Detector• 現行のPixelは400 fb 、SCTは600 fb 、IBLも800 fb の積算
ルミノシティ相当の放射線までしか耐えられない。
• 瞬間ルミノシティも高くなるため、TRTのoccupancyも問題になる。
.

1
/

LHC

HL‐LHC1052310140• IDを総入れ替え、すべてシリコン検出器にする。
– 5 pixel + 4 strip layers– 方向のカバレージを広くする。
筑波大学でのLH‐LHCのシリコン検出器開発研究：佐藤（和）君、岩淵君のトーク。

まとめ•

•

Run 1– LHC Run 1では、2012年にヒッグス粒子を発見した。
– Run 1データで、様々なカップリングを 10 20 %で測定した。
Run 2– Run 2初年の2015年には、13 TeV運転を確立。0.5 10 cm s を達成、4 fb のデータを取得。
– 2016年には、 ∼ 1.2 10 cm s を達成し、 ∼ 35 fb のデータを取得の予定。
– Run 2以降では、ヒッグス粒子の測定を精度を上げていく。
– 新粒子への感度が大幅増大する。
••∼35

1 TeV , 2040

3 TeV

LS3 Upgrade– HL-LHCでは、ヒッグス粒子の様々なカップリングを 2で測定する。
– HL-LHCはLHCの5倍の瞬間輝度→IDを総入れ替え。
– 新しいPixelとstrip型シリコン検出器を開発している。

セッションのプログラム

5%の精度backup

LHC Run 1でのヒッグス粒子発見• 2012年7月4日 CERNセミナーで発表
事象中のヒッグス粒子の質量を、相対性理論を利用して再構成した結果→→→

Weight due to event
category

Phys. Lett. B 716 (2012) 1-29

各実験単独で、同時に発見
ATLAS:
global 5.1σ, local 5.9σ.
126.0 0.6 GeV/
CMS:
global 4.6σ, local 5.0σ.
125.3 0.7 GeV/
Phys. Lett. B 716 (2012) 3024

全Run 1データでのアップデート
2012年夏の結果

Phys. Lett. B 716 (2012) 1-29

２チャンネル合わせて5.9σ.

データが増え、解析手法も改善しているため、ヒッグス粒子のピークがよりハッキリ見える
Phys. Lett. B 726 (2013), pp. 88-119

Signal significance:
Observed: 7.4 σ
Expected: 4.3 σSignificance:
Observed: 6.6σ
Expected: 4.4σ

2013年夏の結果
25114, 191803
ヒッグス質量 Phys. Rev. Lett. (2015年3月)••

0.19 % 0.24 GeV/ )の精度。
発見から2年半（2015年3月）の結果。

26

ヒッグス信号強度の測定結果• 信号強度（断面積、崩壊頻度）は標準理論の予言値との比を測定している。

27

ATLAS-CONF-2015-044

Luminosity Status2015 : 13 TeV

13 TeV dataset: 3.55

2010‐2011 : 7 TeV, 2012 : 8 TeV

8 TeV dataset:
7 TeV dataset:

.
.

28

LHC Machine
Status report

L. Ponce (BE department, OP group)
On behalf of the LHC TeamLHC Run 2 goals (2015 - 2018)
 Operate the LHC at 6.5 TeV (or higher).
 Operate with 25 ns bunch spacing.
oFor Run 1 operated with 50 ns spacing (e-cloud).

 Maximize the integrated luminosity & collect ≥ 100 fb-1.

Objectives for 2015:
 Learning year of Run 2 (6.5 TeV, 25 ns bunch spacing)oEnergy: lower quench margins, lower beam loss toleranceo

25 ns: electron cloud, UFOs, larger crossing angle

 Achieving reliable operation with 25 ns spacing is top priority.
o* at the IPs were relaxed to ease operation: * = 80 cm was selected
while 60-40 cm was in reach. We plan to move to 40-50 cm in 2016.

30

Integrated luminosity
 The initial projections of integrated luminosity for 2015 were ~8-10 fb-1.
 Finally achieved > 4 fb-1 for ATLAS and CMS
 Slope at the end of the run better than in 2011, and not far from 2012 slopeoMore than 1 fb-1 produced last week of proton-proton operation

 The main reasons for thelower value:―

Start-up delays (~6 weeks)―

Availability issues (radiation
failures on the quench
protection tunnel
electronics – solved now)―

Difficulties to masterelectron clouds → slower
intensity ramp-up

The 2015 proton run is finished now, this year
will close with a 4 week lead ion run.
31Luminosity production 2015
 Luminosity production (25 ns):o We spend 31% of the scheduled

time delivering collisions toexperimentso (compared to 33 % in 2011 and37% in 2012) Peak Luminosity:o Run 1: 7.61033 cm-2s-1
o Run 2: 5.11033 cm-2s-1

Design lumi:
11034 cm-2s-1

Electron cloud challenge When operating with positively charged beams and closely spaced bunches

electrons liberated on vacuum chamber surface can multiply and build up a
cloud of electrons.
Bunch N+1 accelerates e‐,
Process repeats for
Bunch N liberates e‐multiplication at impact

Bunch N+2 …
e-e++++++++++++++++++

N+2N+1Ne- Consequences of e-cloud build-up:o Vacuum pressure increases → interlocks triggeredo Impact on beam quality (emittance growth, instabilities, particle losses)o Excessive energy deposition → cryogenic cooling capacity and stability

 The key parameter for e-clouds is the Secondary Emission Yield (SEY)of electrons from the vacuum chamber surface.
o SEY reduced by electron bombardement of the surface (SCRUBBING)

33

Scrubbing strategy
 There is a strong dependence of e-cloud build up on bunch spacing:oConditioning requires a beam that is more powerful ( more electrongeneration) than the beam used for operation !

For 50 ns: scrubbing with 25 ns, then revert to 50 ns for operation.

For 25 ns: try the same strategy → invented a new doublet beam to enhance the ecloud further.



Doublet beam could not be used, too unstable beam – SEY too high.
Doublet beam

Cryogenics limit

5 ns20 ns We came out of thescrubbing runs with animportant residual e-cloudactivity.
 Conditionning continued

during physics production
34

Possible performance after YETSExchange of Injection absorbers should allow nominal train injection(288 bunches per injection)o

Could help to complete scrubbing

2016 – Production year, setting stage for Run 2:o

6.5 TeVoβ* reduction to 40 cm in ATLAS and CMSo

Not yet fully scrubbed for 25 ns=> Re-establish present conditions, good for operations up to ~2000
bunches, continue pushing
Peak lumi
E34 cm‐2s‐1Days proton
physics

Approx. int lumi
[fb‐1]

2015~0.5~504

20161.2

160~35=> All options to be discussed at Evian andChamonix Workshops

35

LS1中のアップグレード••••

Pixel 検出器
• 最内層に IBL を追加• ビームパイプも交換
Trigger• サービスの交換• New central trigger
Calorimeterprocessor• LV の交換• Tile – Muon coincidence
Muon 検出器• High level trigger の再構築
• EE chamber などの追加
Software• Fast TracK Trigger• シミュレーション、再構成ツールの刷新 • L1Caloの改善• Gridソフトウェアの改善
36

/ 37

陽子陽子衝突Good data37

ATL‐PHYS‐PUB‐2014‐016

2023年ころ2035年ころ(?)

39