LHC-ATLAS実験用ミュー粒子トリガーシステムの構築

名古屋大学 GCOE研究員

杉本拓也(On behalf of ATLAS-TGC group)

略歴
ATLAS実験用ミュー粒子トリガーシステムの構築
1. 日本製TGCの性能評価 (品質保証)
修士課程1年(2001年4月) ～ 博士課程3年(2006年3月)
神戸大学にて理学博士を取得

2. 実機トリガーシステムの構築
名古屋大ポスドク(2006年6月) ～ 現在
4年間CERN長期滞在
2000

2005

2010

トリガー回路の開発
TGCの試作・量産
TGCの動作検査
ATLASへの組み込み・調整・運用・評価
2010/7/21

杉本拓也 (名古屋大学)

2/43

LHCの最新情報＋運転プラン

LHC加速器と4大検出器

LHC加速器周長：26.7km
エネルギー：14TeV
bunch間隔:25nsec

CERN研究所 (スイス・ジュネーブ)★

ATLAS検出器

LHCb検出器

2010/7/21

CMS検出器

杉本拓也 (名古屋大学)

ALICE検出器

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Recent LHC Activities+ 重心系7TeVでの衝突 (2010/2011)
8BC衝突
9 x 1030 ppb(2010.7.12)

目標：2011年末までに1fb-1+ Higher Luminosityを目指して①衝突するbunch数を増やす
1 → 2 → 3 → 4 → 6 → 8 (→ 12 → 24 …)②beamを絞る
11m → 5m → 3.5m → 2m (→ 0.55m)③bunch当たりの陽子数を増やす
109 → 1010 → 1011

+ Machine Study
2010.3.30

High stored energy

injection, collimator, beam dump
(平日はmachine study、週末にphysics run)(~MJ級)

Current record (2010.7.18)+ peak lumi: 1.6 x 1030 cm-2 s-1+ # of proton: 1.1 x 1012 p/beam → 660kJ+ integ. Lumi per fill: 69.1 nb-1
+ fill period: 19hours

Technical Stop: 7/19 - 22
2010/7/21

杉本拓也 (名古屋大学)

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Luminosity at ATLAS
60.04nb-1(2010.7.14)

Data Taking Efficiency: 91.6% (2010年)(2010.7.10)

2010/7/21

杉本拓也 (名古屋大学)

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2010年の計画(Physics at LHCより引用)
Mike Lemontnow(13b_8_8_8)

2010/7/21

杉本拓也 (名古屋大学)

7/43

2010年後半(Physics at LHCより引用)
Mike Lemont

2010/7/21

杉本拓也 (名古屋大学)

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2011年以降(Physics at LHCより引用)
Mike Lemont

最新の物理結果
今後の展望
計42のトーク
2010/7/21

杉本拓也 (名古屋大学)

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ATLAS実験用ミュー粒子トリガーシステムミュー粒子で探す新しい物理

例：超対称性粒子の崩壊
他にも、、、& onia

奥村、高橋、長谷川SM Higgs
SUSY
Exotics

2010/7/21

質量精度 → a few %(5-100GeV)→ muon is very important!

杉本拓也 (名古屋大学)

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ミュー粒子検出器

2010/7/21

杉本拓也 (名古屋大学)

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Trigger in ATLAS

PC farm for Lv2(500台)/EF(1800台)(EF=EventFilter)2010/7/21

杉本拓也 (名古屋大学)

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Level1 Endcap Muon Trigger①計7層のコインシデンス②無限大PTとの差よりPTを概算→ PT>6GeVに感度をもつトリガーロジック

25m

Thin Gap Chamber (11種類、3588枚)
1224枚＠KEK (残りはイスラエルと中国)(LHCのバンチ間隔＝25nsec)①98%以上の検出効率 (トリガー)②25nsec以下の時間分解能 (バンチ識別)③耐放射線性 (～0.6C/cm)④high rate耐性 (～kHz/cm2)
ガス:CO2 + n-Pentane = 55:45
HV：3.0kV (gain=106)
2010/7/21

杉本拓也 (名古屋大学)

700本(1.4m x 1.3m)→ Very challenging!
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Trigger Electronics+ ASIC: 4種類+ (Anti-Fuse) FPGA: 3種類+ 設定レジスタ数 ：50種 150k
+ 総データ量：450k byte

バンチのいつ？

識別どこに？

PS Board

100m

VME Crate
2010/7/21

1/12セクター

杉本拓也 (名古屋大学)
エレキハット15/43

History of TGC(1995年6月)

2010/7/21

杉本拓也 (名古屋大学)

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TGCの量産と性能評価
研究対象：1224枚の日本製TGC

宇宙線検査小屋(外観)

宇宙線検査小屋(内部)TGCの量産①カーボン塗布④ワイヤー巻⑦HV試験②パーツ接着準備⑤ハンダ付け⑧モジュール接着

神戸大へ③パーツ接着2010/7/21

枚数：1224枚
期間：2000年～2005年
場所：KEK富士実験室B4⑥閉じ
杉本拓也 (名古屋大学)

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宇宙線を用いた動作検査
シンチレーター+PMT (44枚)

ドリフトチューブ (φ5mm, 428本)(2002.5 ～ 2005.8)
サポート構造体 (7mm)

検出効率マップ

1.3m
2.6m

TGC検査ステージ(最大24枚)

除湿機

1.4m

TGC移動用ステージ
宇宙線検査架台①98%以上の検出効率 (トリガー)②25nsec以下の時間分解能 (バンチ識別)2010/7/21

1pixel：5mm x 5mm→60k pixels
100tracks/pixel → 6M tracks required
Trigger rate:20Hz
Tracking Efficiency:80% → 8 days
Gas replacement: +2days ∴10days/set

1224枚 ÷ 24枚/10days = 510days

杉本拓也 (名古屋大学)

瞬間最大風速ではダメ！

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検査の準備 (1)(2002.5 ～ 2005.8)①運搬・受け取り・取り出し

絶縁抵抗計(>GΩ)

KEK～800kg/box

断線確認

~50kg
約10分/台2010/7/21

杉本拓也 (名古屋大学)

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検査の準備 (2)②気密性検査(2002.5 ～ 2005.8)③アンプカードの取り付け

1cc/min以下との闘い

計25,920本のM3ネジ

アンプカード(計6,480枚)

n-Pentane→ framable!
接着のみで製造→ 耐圧：～1kPa④高電圧印加試験

加圧して5分密閉

電流値で判定(通常：～100nA)→最短でも32時間/枚
2010/7/21

約2時間+ シールド(錫メッキ銅板)⑤検査架台への挿入

振動厳禁
シグナルケーブル(144本)

1週間に20枚以上を準備→ シフト体制 (最大8人)
杉本拓也 (名古屋大学)

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DAQ for cosmic test

SWINE Modules+ SWINE = Super Wire Net Encoder+ PORQ = Pulse On ReQuest+ HOG = Hold On Go

0.78ns/count
TMC Module

2010/7/21

SBS Bit3

杉本拓也 (名古屋大学)

TMC = Time Memory Cell

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日本製TGCの品質評価

22台-12台=10台(2002.5 ～ 2005.8)

25台

485台

生産初期の動作不良チェンバー
平面性の不良(～400µm)により、局所的に電場が低下→ ガスゲインが低下し、検出効率が低下した。
接着剤の剥離2010/7/21(100µm ~ 100Vに相当)
杉本拓也 (名古屋大学)

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検査の進捗

(356chambers)(439chambers)(215chambers)(214chambers)

検査終了(2005.8)(計1224chambers)

検査開始(2002.5)→ 計1152日(M2)
2010/7/21

2003.4(D1)2004.4(D2)杉本拓也 (名古屋大学)

2005.1(D3)24/43

CERNへの運搬⑥運搬準備(2002.5 ～ 2005.8)⑦運搬業者への引き渡し

GND線のハンダ付け中⑧神戸港より輸送⑧CERNにて受け取り検査

合計４回にわたり輸送 → 断線・破損なし
2010/7/21

杉本拓也 (名古屋大学)

イスラエル、中国からも25/43

実機運用に向けて
研究対象：直径25mのミューオントリガーシステム

高所作業用車両 免許取得(日本人では3人だけ)

Working area @ CERN

Storage of 1/12 sector

Sector assembly site

2010/7/21

杉本拓也 (名古屋大学)

ATLAS pit

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1/12セクターの組み立て作業①気密性試験

③チェンバーインストール
2010/7/21

杉本拓也 (名古屋大学)②アルミフレーム作り④エレキとの接続、動作テスト
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地上動作試験 & 地下実験ホールへの設置(2006.7 ～ 2007.9)

神戸、イスラエル、中国

実働：4～５人
14ヶ月で48枚を検査
TGC

5m

1/12セクター (計72枚)
TGC

フロントエンド回路ボックス(計672箱)
CAT6ケーブル (約3500本)
96pinツイストケーブル(約1万本)
シールド(GND)と短絡①擬似信号(テストパルス)+ 回路系、ケーブリングのチェック②宇宙線+ 検出器の応答、HV線のスワップチェック
100個近くのICが故障する事故→ ビニール袋との摩擦により、CAT６ケーブルが静電気帯電し、静電破壊(数百Vになることも)2010/7/21

放電用コネクタ杉本拓也 (名古屋大学)

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もう一度エレキのおさらい

PS Board

mini-rack
TGC1 TGC2 TGC3On TGC chambers(PS Pack)

ASD

PS-Board

HSC(VME) crate

PPdelayBCID

SLB ASIC
3/4 Coin.
Readout

PPdelay
BCID

JRC

Doublets

Big Wheel edge
(mini-rack)

DCS-PS

H-Pt
wire

H-Pt
strip

Counting Room(USA15)
VME64 crates
Trigger crate

Readout crate
ROD

ASD
PP
delay
BCID

SLB ASIC
2/3 Coin.
Readout

Readout
ROB

SSW
Control crate

PP
delay
BCID

JRC

TripletDCS-PS

Service PP

Trigger
MUCTPI

Sector
Logic

CAN

HSC

CCI

Control

TTCvi

CTP

DCS LCS

TTC signal fanout
to PS-Boards TTCrq
2010/7/21

杉本拓也 (名古屋大学)

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回路モジュールの設置(2006.11 ～ 2009.10)

単品を機能としてまとめ上げ、動作させる研究
計17種類

総読み出しチャンネル：320k

2年間毎日地下へ
CAT6ケーブル：3500本
光ファイバー(100m)：1220本

26台

2010/7/21
杉本拓也 (名古屋大学)
583枚のVMEモジュールの動作を確認(20枚以上の故障品を交換)

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インフラ整備

(2006.11 ～ 2009.10)

ラッチの確認ケーブルの色分け
ラベルの見易さ(bとd)
束ね方、遊ばせ方に一苦労

素人に任せると。。。
100m光ファイバー

半月がかりでやり直し(4時間 x 24ラック)

CAT6ケーブル(3,500本)+ Trigger : ～160ch/本+ Readout : ～160ch/本

光ファイバー (3,900本)+ Trigger : ～ 600ch/本+ Readout : ～1,200ch/本①信頼性②メンテナンス性2010/7/21

3回張り直して最終形に
杉本拓也 (名古屋大学)

100本以上のスワップを修正
ファイバーの破損はなし！
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VME Address
Register NameValue

TGC DAQ Structure
Partition
Segment
PC/SBC
DAQ設定値VME
JTAG
CCH-HSC

実働：6人(日本＋イスラエル)
2010/7/21

杉本拓也 (名古屋大学)+ ASIC: 4種類+ FPGA: 3種類+ 設定レジスタ数 ：50種 150k
+ 総データ量：450k byte

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ATLAS DAQ Framework (1)RootController

ATLAS TDAQ State Machine

TGC Segment

NONE
bootshutdown

SBC

SBC

INITIAL

SBC

library

library

SBC
library

library

unconfigure

configure

TTC

CONNECTED
start

CCI

ROD

SL
SL Segment

HSC

TTC Segment

stop

ROD Segment

RUNNING
pause

FE
ModuleresumeFE Segment

PAUSED
global

TDAQ

config()CTP
MDT

各subsystemで準備
2010/7/21

RPC

TGC
Library (.so)

Stand-alone

SCT

L2

杉本拓也 (名古屋大学)

Partition

Single Board Computer
Concurrent technologies社
VP-315 21枚使用
PentiumM 1.6GHz
DRAM:1GByte
Scientific Linux CERN(SLC)34/43

ATLAS TDAQ Framework (2)
使用中のpartition

各Segmentの状態

Stateのコントロール

エラーなどの情報

Runの情報2010/7/21

杉本拓也 (名古屋大学)

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Timing合わせ (1)①ＴＯＦの差②信号ケーブルの差

45種類 (1.8m ～ 12.5m)

65.3 < ①＋② < 116.0nsec
Delay scan using Test Pulse

2010/7/21

杉本拓也 (名古屋大学)

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Timing合わせ (2)③ファイバーの差エレキハットµIP
パルスの往復時間で測定< 2.5nsec

2010/7/21

杉本拓也 (名古屋大学)

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実験開始に向けて (1)Commissioning中のATLAS Control RoomATLAS統合試運転キャンペーン

前ATLAS Muon Project Leader

宇宙線を使ったコミッショニング
期間

TGCセクター数

1

6/4～6/18

12

8/23～9/3

13

10/1～10/7

3410/22～11/5

65

12/3～12/10

66

3/3～3/9

67

4/11～4/16

685/19～5/25

795/29～6/3

1310

7/11～7/20

19(2007.6 ～ 2009.10)

2007
宇宙線によるヒットマップ

2008

2008.8.24
フルシステム(12x2=24セクター)での読み出し/トリガーに成功

約40sec毎のinjectionに同期(ビームハロー用特別トリガー設定)

2008.9.10 陽子初周回
2010/7/21→ その後ヘリウム漏れ事故。。。orz

杉本拓也 (名古屋大学)

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実験開始に向けて(2)(2006.11 ～ 2009.10)

宇宙線を用いた動作環境の最適化
HV (2.8kV, 2.85kV, 2.9kV)
Vth (60mV ～ 120mV)
ノイズレベル < 10-4

Blue : Before optimization
Red : After optimization(including support structures)2010/7/21

杉本拓也 (名古屋大学)

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陽子衝突事象を用いたシステム評価
トリガー効率TGCでのトリガー効率

トリガータイミング

イベント数(2010.3 ～)>98%(1BC = 25ns)

ノイズレベル < 10-4

Beam pickupに対するTGCのTrigger信号 [BC]

飛跡検出器で測定されたミューオンのPT [GeV]

Readout coverage: 98.7%
Trigger coverage: 100%①高い検出効率 (トリガー)②早い時間応答 (バンチ識別)(33chambers dead)

設計性能を満たすシステムを構築した
1st leading muon (PT=45GeV) was triggered by TGC!!
2010/7/21

杉本拓也 (名古屋大学)

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ナノ秒の精度を目指して
TGCのTDC分布(wire)

ratio of # hits in BC=0

(宇宙線検査時のデータ)(simulation)

25nsec

BC=-1

BC=+1early

戦略Best(1) まずは円盤を単位として評価する

BCID gate (25+α nsec)

late(2) 必要な統計量：1,000 events(3) ミュー粒子のレート：O(10)Hz (L=1030cm-2s-1)→ 10nb-1 (= 1032cm-2)

Gate信号のタイミング = LHC RF Clockのタイミング(4) 現在位置から±5nsecともう一点の計4点測定(40.079MHz)(5) 徐々に評価する単位を小さくしていく

Clockのタイミングを変えてスキャン！
2010/7/21→ 最終的にはchamber単位で位相を決定する

杉本拓也 (名古屋大学)

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さらに今後は、、、物理事象を用いた評価+ トリガー効率(tag&prove)+ 設置位置の校正+ トリガーマトリックスの最適化

より高いトリガー効率を目指して！

Super LHC (L=1035cm-2s-1)へのアップグレードも計画中+ phase1: 2015年？ (四極電磁石の交換)+ phase2: 2020年？？ (LINAC4を用いたinjectionの開始)
2010/7/21

杉本拓也 (名古屋大学)

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まとめ①LHC加速器が稼働開始+ 重心系７TeVでの衝突が始まった+ 2011年末までに1fb-1が目標②ATLAS実験用ミュー粒子検出器の構築+ 13年に渡る建設期間+ 要求を満たすシステムの構築に成功- 高いトリガー効率- 25nsecのバンチ識別能力+ 現在、衝突データを用いた性能評価、改善中
TeVスケールの物理の本格探索が、いよいよスタート！
2010/7/21

杉本拓也 (名古屋大学)

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