修士学位論文

ATLAS 実験 前後方部レベル 1
ミューオントリガーシステムの構築と検証
東京大学大学院理学系研究科
素粒子物理国際研究センター 川本研究室
平山翔

Sho Hirayama
2009 年 1 月 24 日

概要2008 年 9 月、スイスの欧州原子核研究機構 (CERN) にて建設が進んでいた大型ハドロ
ン衝突型加速器 (LHC) の加速リング内をついに陽子ビームが一周した。LHC の最大の特徴は重心系衝突エネルギーが 14TeV というかつてない高エネルギーであることだ。それによってヒッグス粒子や超対称性粒子の発見等の物理的成果が期待される。

ATLAS 実験は LHC を用いて行われる実験の一つで、最も規模が大きく汎用性の高い検出器を使った多目的実験である。上述の LHC ビーム射出にあわせてひとまずの完成となった。現在は、2009 年夏の LHC 定常運転に向け、問題の洗い出し、不調箇所の修理、オペレーション用ツールの整備などさらなる質の向上を目指したコミッショニングの最中である。
私は、ATLAS 検出器の動作の要となるトリガーシステムのうち、前後方部を担当する

TGC グループに所属し、システムの構築及び動作検証に取り組んできた。本論文ではこの前後方部ミューオントリガーシステムについて、その詳細、開発と構築の歴史、動作検証の方法と結果を述べる。

目次
第1章

序論

1

1.1

素粒子物理学の現状 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1

1.2

LHC(The Large Hadron Collider) とは . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

1.3

ATLAS 実験の目指す物理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

1.3.1

ヒッグス粒子の探索 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

1.3.2

ミューオントリガーの重要性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

第2章

2.1

2.2

第3章

ATLAS 検出器について

18

ATLAS 検出器の構成 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

2.1.1

ATLAS 検出器の全体像 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

2.1.2

マグネットシステム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

2.1.3

内部飛跡検出器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

24

2.1.4

カロリメーター . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

27

2.1.5

ミューオンスペクトロメーター . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

32

ATLAS 実験における DAQ システム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

39

2.2.1

トリガーシステムの全体像 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

40

2.2.2

レベル 1 トリガー . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

40

2.2.3

レベル 2 トリガー . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

42

2.2.4

EventFilter(レベル 3 トリガー) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

43

前後方部レベル 1 ミューオントリガーシステム (TGC システム)

44

検出器の構造と配置 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

44

3.1.1

TGC(Thin Gap Chamber) の基本構造 . . . . . . . . . . . . . . . . .

44

3.1.2

TGC の動作原理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

48

3.1.3

TGC の応答時間 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

50

3.1.4

ATLAS における TGC の配置 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

51

3.2

TGC におけるミューオントリガーのスキーム . . . . . . . . . . . . . . . .

56

3.3

TGC システムのデータ読出し系 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

58

3.1

第4章

4.1

4.2

4.3

4.4

第5章

5.1

5.2

3.3.1

TGC エレクトロニクスシステムの構成 . . . . . . . . . . . . . . . .

58

3.3.2

TGC エレクトロニクスの設置 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

62

3.3.3

モジュールとエレクトロニクスの詳細 . . . . . . . . . . . . . . . .

64

3.3.4

TGC エレクトロニクスシステムのコントロール . . . . . . . . . . . 75

TGC システムの構築と検査

76

TGC システム構築の歴史 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

76

4.1.1

エレクトロニクスの開発と量産 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

76

4.1.2

ガスチェンバーの開発と量産 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

78

4.1.3

1/12 セクター及びスモールウィールの組立 . . . . . . . . . . . . . . 80

地上動作試験 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

81

4.2.1

SLB テストパルス試験 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

82

4.2.2

ASD テストパルス試験 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

84

4.2.3

宇宙線試験 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

87

4.2.4

地上動作試験の成果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

90

地下実験ホールへのインストール . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

91

4.3.1

チェンバーのインストール . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

91

4.3.2

エレクトロニクスのインストール . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

92

地下ホールにおける動作試験と試運転 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

94

4.4.1

タイミングパラメーターの調整 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

94

4.4.2

リードアウトライン試験 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

99

4.4.3

トリガーライン試験 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

4.4.4

コントロールライン試験 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

4.4.5

LHC ファーストビームのデータ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
105

オフラインデータ処理システム

ATLAS のデータ保存フォーマット . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.1.1

RAW (ByteStream Data) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

5.1.2

ESD (Event Summary Data) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

5.1.3

AOD (Analysis Object Data) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

5.1.4

TAG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

オフラインシステムのコンピューティングモデル . . . . . . . . . . . . . . 107

5.2.1

Tier-0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

5.2.2

Tier-1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

5.2.3

Tier-2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

5.2.4

オフラインシステムにおける処理の流れ . . . . . . . . . . . . . . . 114

3

5.3

オフラインソフトウェアの概要

5.3.1
5.4

5.5

5.6

5.7

第6章

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

ソフトウェアのバージョン管理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

オフラインデコードの流れ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

5.4.1

RDO (Raw Data Object) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

5.4.2

PRD (Prepared Raw Data) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

5.4.3

シミュレーションデータ生成の流れ

5.4.4

ミューオンスペクトロメータのデコードの流れ . . . . . . . . . . . 118. . . . . . . . . . . . . . . . . 118

TGC オフラインデコードソフトウェアの概要 . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.5.1

Cabling Service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

5.5.2

MuonTGC CnvTools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

5.5.3

MuonCommAlgs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

5.5.4

MuonRDO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

5.5.5

MuonPrepRawData/MuonTrigCoinData . . . . . . . . . . . . . . . . 129

TgcRdoToPrepDataTool の開発 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
5.6.1

要求される役割 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

5.6.2

アルゴリズム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

RDO→PRD の検証 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.7.1

エラーデータに対する耐久性チェック . . . . . . . . . . . . . . . . 135

5.7.2

データ変換の正しさの検証 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

TGC の動作検証

144

6.1

リードアウトデータとトリガーデータの位置情報の整合性 . . . . . . . . . 144

6.2

PRD オブジェクトの階層構造の確認 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

6.3

検出効率 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

第7章

まとめ及び TGC コミッショニングの今後について

153

付録 A

154

A.1

トリガーセクター番号 φ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

A.2

RDO の変数一覧 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

A.3

PRD の変数一覧 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

A.4

ROI のナンバリング . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

A.5

SLB データフォーマット . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

A.6

SSW データフォーマット . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

A.7

エレクトロニクス ID の関係 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

参考文献

166

第1章

序論
この章では、素粒子物理学の現状を軽く述べた後、LHC 加速器及びその周上に設置される検出器を用いた実験計画の概要を説明する。次に、私が参加する ATLAS 実験において観測が期待される物理についてまとめ、本論文の主題である ATLAS 検出器のミューオ
ントリガーシステムの重要性を論じる。

1.1

素粒子物理学の現状

素粒子標準理論は、物質の構成要素をクォークとレプトンとし、それらの間に働く三種類の相互作用、すなわち強い力、弱い力、電磁気力をゲージ理論という統一的な枠組みで記述する素粒子物理の基礎理論である。20 世紀後半の粒子加速器実験の急速な発展により、標準理論の予言するクォークやレプトン、そして相互作用を媒介するゲージボソンの存在が次々に証明され、標準理論は多大な成功をおさめてきた。さらにクォークとレプトンの世代が 3 つであることと CP 対称性の破れも確認された。CP 対称性の破れから世代が 3 つ以上であることを予言した小林益川理論の提唱者、小林誠先生と益川敏英先生が、
南部陽一郎先生と共に 2008 年度のノーベル物理学賞を受賞されたことは記憶に新しい。
その他にも、超対称性粒子を仮定すると上記の 3 つの力が高エネルギー領域で同じ強さに統合されることを示唆する結果が得られるなど標準理論を越えた枠組みに関しても研究が進んでいる。図 1.1 に、標準模型を構成する素粒子とその超対称性粒子を、表 1.1 にそれらが発見された年と加速器を示す。図 1.1 の中の暗くなっている粒子は未発見のものである。図 1.2 は LEP によって示唆された 3 つの力の大統一の可能性を示す図である。
図 1.1 のとおり、標準理論の予言する粒子の中でヒッグス粒子は唯一未発見となっている。ヒッグス粒子はゲージ対象性の自発的破れから生じる南部・ゴールドストーン・ボソンの一種であり、ヒッグス粒子との相互作用こそが物質の質量の起源であると考えられている。仮にヒッグス粒子がないということになれば標準理論は大幅な修正を余儀なくされるため発見が急がれてきたが、これまでの LEP や Tevatron といった加速器実験や、理論

1図 1.1 標準理論の素粒子と、その超対称性
粒子 [26]
図 1.2 3 つの力の大統一の可能性 [26]

暗くなっているものは未発見。

理論に超対称性粒子を導入することで 1016 GeV を超える高エネルギー領域で 3 つの力の強さが同じになる。

表 1.1

近年の加速器実験による素粒子の発見発見された年発見された粒子質量

加速器 (施設)

1969 年

u,d,s クォーク

数 MeV, 数 MeV,〜100MeV

SLAC

1974 年

c クォーク〜1GeVSPEAR(SLAC)/BNL

1975 年

τ1.78GeV

SPEAR(SLAC)1977 年

b クォーク

〜4GeV

FNAL

1979 年

グルーオン

0

PETRA(DESY)

1983 年

W± , Z

80.4GeV,91.2GeV

SPS(CERN)

1995 年

t クォーク〜170GeV

Tevatron(FNAL)

2009 年?

ヒッグス

114GeV 以上

LHC(CERN)?

の面からある程度の質量的制限は得られているものの、未だ発見には至っていない。
そこで 2009 年夏頃からの定常運転が予定される世界最大最高エネルギーの LHC 加速器の登場となる。LHC ではヒッグス粒子の発見が第一の目標となるが、これについては実験の比較的初期の段階で見つかる可能性が高いと考えられている。ヒッグス発見以外にも、上記の超対称性粒子の発見や、余剰次元の探索といった標準理論を超えた物理にも多大な貢献が期待される。

2

1.2 LHC(The Large Hadron Collider) とは
LHC とは、ジュネーヴ郊外のスイスとフランスの境に位置する CERN（欧州原子核研
究機構）に建設された大型ハドロン衝突型円形加速器である。CERN では 1989 年から2000 年まで、大型電子陽電子衝突型加速器 LEP(Large Electron Positron Collider) を用いた実験が行われていたが、LHC は LEP で使用していた地下約 100m、周長 27km のトンネルを再利用している。LHC の衝突点における 2 つの陽子の重心系エネルギーは 14TeVに達し、現時点で世界最高エネルギーの加速器であり、当分の間はこれを超えるエネル
ギーの加速器の建設は予定されていない。図 1.3 に、LHC の概観を示す。

図 1.3 LHC の概観 [24]地下約 100m、周長約 27km のトンネル内で陽子を加速する。メインリング上には 4 箇所の衝突点があり、ATLAS、CMS、ALICE、LHCb が設置される。

見ての通り LHC のメインリングには 4 箇所の衝突点があり、それぞれに ATLAS、

CMS、ALICE、LHCb と呼ばれる検出器が設置され、各チームが様々な物理現象の観測を目指している。以下では、LHC 加速器の概要及び、LHC で行われる予定の各実験について簡単に述べる。

3

LHC 加速器
LHC の最大の特徴はもちろん 14TeV という高い重心系衝突エネルギーを実現したことである。粒子を円形加速器で加速する際のシンクロトロン放射によるエネルギーロス
は、加速器の曲率半径を ρ として γ 4 /ρ 2 に比例する。γ = E/mc2 であるから、結局エネ
ルギーロスは粒子のエネルギー E の 4 乗に比例し、質量 m の 4 乗と曲率半径 ρ の 2 乗に反比例することになる。そこで LHC では 14TeV の高エネルギーを実現するため、曲率半径が大きくなるようにメインリングに周長 27km の巨大な円形空洞を用い、電子と比べて約 1800 倍重い陽子を加速粒子として選んだ。メインリングの半径は約 4300m だが、加速器自体は 8 箇所の直線部と曲線部の組み合わせとなるため、実質的な曲率半径は 2804m
である。7TeV の陽子 1 個がメインリングを一周する間に失うエネルギーは

2α hc
U0 =
3ρ

( )4
(
)
E
2 · (1/137) · 2π · 197[MeV · fm] 7000 4== 6.7KeVm
3 · 2804[m]
0.938

(1.1)

となる。LEP では電子を 100GeV に加速した際の放射エネルギーは約 3GeV だったが、それと比較して全く問題にならないほど小さいことがわかる。また、高エネルギーの粒子を加速リング内に留めるには強い磁場が必要となるため、LHC では 8.33T の高出力を持つ超伝導双極電磁石を 1232 台も用いている。図 1.4 に超伝導双極電磁石の写真と断面図を、図 1.5 に LHC 加速器の全体像を示す。図 1.5 を見るとわかるように、ソースから出た粒子は LINAC で 50MeV、PSB で 1.4GeV、PS で 25GeV、SPS で 450GeV と段階を踏み、最終的にメインリングで 7TeV まで加速される。また後述の ALICE 実験のために鉛イオンを加速することも可能となっていて、最終加速エネルギーは核子あたり 2.8TeV、衝突エネルギーは約１ PeV となる。
ところでハドロンである陽子は、レプトンである電子と比べて約 1800 倍も重いという
他に、もう 1 つ実験に関わってくる重要な違いを持つ。それはレプトンが内部構造を持たない (少なくとも現在は理論、実験の両面からそう考えられている) 点粒子、すなわち素粒子である一方で、ハドロンは内部構造及び大きさを持ち、素粒子ではないということである。陽子は u,u,d の 3 つのヴァレンスクォークと無数のシークォークやグルーオンからなると考えられており、陽子全体で 7TeV のエネルギーを持つ場合に 4 元運動量が構成粒
子にどのように割り振られているかはわからない。その振り分けの割合を表すパラメータを Bjorken の x(0 ≤ x ≤ 1) と呼んでいて、値は各陽子の各構成粒子毎に異なる。大きな値を持つのは概ねヴァレンスクォークであって、それ以外では x < 10−2 程度である。そして陽子同士の衝突とは、実際には構成粒子の一部同士の衝突である。このようなモデルをパートン模型、そして構成粒子のことをパートンという。例えば、図 1.6 に、ZEUS 実験で得られた不変量 Q2 = 10GeV2 の時の陽子のパートンの x の分布を示す。
加速する粒子にハドロンを用いた場合に実際に生じているのはパートン同士の衝突

4図 1.5 LHC 加速器の構成 [24]図 1.4 LHC 加速器 [15]上：超伝導双極電磁石の写真
下：断面図

であり、どのパートンが寄与するかはイベント毎に異なり確率的にしかわからない。
すると、14TeV の衝突エネルギーで運転し続けていても、低エネルギーから高エネ
ルギーの衝突まで万遍なく生じることになる。例えば陽子 1,2 の持つ運動量が p1 , p2で、反応に寄与したパートンが x1 , x2 を持つ時、実質的な重心系衝突エネルギーは√√x1 p1 x2 p2 = 14TeV × x1 x2 となり、x1 , x2 の組み合わせで如何様にも変化する。また、

x の分布を考えれば低エネルギーの割合が大きいことが容易にわかる。一般にハドロン衝
突型加速器でレプトン衝突型加速器と同等の粒子発見能力を得るためには 10 倍のエネル
ギーが必要と言われているが、LHC は 14TeV の重心系エネルギーを実現するので TeV 領
域の物理の発見能力を十分に持つ。エネルギーフロンティア実験として未知の粒子や物理現象を発見するという目的を満たすには衝突エネルギーが広く分布することはメリットにもなりうるだろう。しかし裏を返せば、イベントの選別が難しくなり精度が落ちるというデメリットを内包している。特に、グルーオンの関わる低エネルギーの反応の割合が非常に高く、多大なバックグラウンドとなる。よって特定の現象に的を絞った精密測定に関しては、同じエネルギーの衝突を狙って発生させることの出来るレプトン型衝突器が有利と5

図 1.6

陽子の x の確率分布 (ゼウス実験)[13]

不変量 Q2 = 10GeV2 の陽子に対する x の確率分布。uv , dv はヴァレンスクォーク、S はシークォーク、g はグ
ルーオンを表す。なお S と g の図は縮小されている (×0.05)なる。そこで、LHC で発見された粒子や物理現象の精密測定ができる TeV 領域のレプト
ン型線形加速器として ILC(建設地未定)、CLIC(CERN) が計画されている。
また、LHC は上記の理由で高いエネルギーのパートン同士の衝突の頻度が小さくなることもあり、イベント数を稼ぐために、初期段階で L = 1033 cm−2 s−1 、後に L = 1034 cm−2 s−1という高いルミノシティーでの運転を予定している。陽子反陽子衝突型である Tevatron
では L = 1032 cm−2 s−1 であったが、陽子陽子型とし、衝突を 40MHz という高頻度で起こすことで Tevatron の約 100 倍という高ルミノシティが可能となった。衝突頻度の高さとバックグラウンドの多さゆえに LHC ではトリガー機能が大変重要である。
最後に LHC の主なパラメーターを表 1.2 に示す。

ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)
ATLAS 実験は LHC で最も大きな汎用検出器を用いて行われる多目的実験である。長さ 44m、直径 25m の円筒形でトロイダル磁石とソレノイド磁石の両方を持ち、重量は7000 トンに達する。目指す物理は、ヒッグス粒子の発見、超対称性粒子の発見、余剰次元の探索など多岐にわたる。ATLAS については次章で詳細を述べる。

6

メインリング長26.66km

実効曲率半径2804m

超伝導双極電磁石の磁場

8.44T

電流

11850A

エネルギー (陽子)7TeV/proton

エネルギー (鉛イオン)

2.8TeV/nucleon

ルミノシティ (ATLAS,CMS)

1034 cm−2 s−1

ルミノシティ (ALICE)

1027 cm−2 s−1

ルミノシティ (LHCb)

1032 cm−2 s−1

ルミノシティ (TOTEM)

2 × 1029 cm−2 s−1

衝突頻度40.08MHz

バンチ間隔

24.95ns

一周あたりバンチ数

2808 個バンチあたり陽子数

1.15 × 1011 個

バンチ長さ

75.5mm

衝突点のバンチ半径

16.7µ mバンチあたり陽子衝突数

23 個

衝突角度

285µ radエネルギー

362MJ/リング

シンクロトロン放射

3900W/リング

表 1.2 LHC のパラメータ

CMS (Compact Muon Solenoid)
CMS は ATLAS と同様に多岐にわたる物理現象の観測を目指す多目的実験である。検出器は長さ 21m、直径 15m の円筒形で、その名の通り ATLAS と比べてコンパクトであるが重量は 12500 トンと ATLAS よりも重い。CMS は超伝導ソレノイド磁石によって発生させる 4T の強磁場を鉄のヨークに閉じ込め、その周囲を検出器で囲むように作られており重量の大部分はこの中心部のヨークによるものである。他の大型検出器と異なり、地上において大部分が組み立てられる設計になっているのも特徴である。

ALICE (A Large Ion Collider Experiment)
ALICE 実験では陽子ビームではなく鉛イオンビーム同士を衝突させ、衝突エネルギーは 1PeV に達する。この実験で目指すのは、ビッグバン直後の超高温の初期宇宙における物質の状態 (QGP：クォークグルーオンプラズマ) を再現し、そこから現在の物質の状態に至る過程を観察することである。検出器の大きさは長さ 26m、直径が 16m、重量 10000
トンである。

LHCb (Large Hadron Collider beauty)
LHCb は b クォークの物理に特化した実験である。物質と反物質の性質の違いを詳細に調べ、何故現在の宇宙が物質ばかりに偏っているのか明らかにすることを目的とする。検出器は長さ 21m、高さ 10m、幅 13m、重量 5600 トンで、特徴として衝突点の全方位をカバーせずに前方向に特化していることと、可動式のトラッカーを有する点があげられる。

7

LHCf (Large Hadron Collider forward)
LHCf は ATLAS の衝突点の前方約 140m に設置される小さな検出器を用いて行われる実験で、その大きさは長さ 30cm、高さ 80cm、幅 10cm、重量は 40kg である。目的は、高エネルギー領域における宇宙線シャワーの振る舞いを調べ、現在ある理論的なモデルのどれが正しいのかを検証することである。実際の宇宙線による検証では統計量が足りず結論が出ていないが ATLAS の衝突点から出る π 0 を起点したシャワーを用いることで高エネ
ルギー宇宙線のシミュレーションが可能であると考えらている。

TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement)
TOTEM は CMS の衝突点の近傍のビームパイプを囲うように設置される検出器で、陽子陽子の反応断面積を測り、LHC のルミノシティをモニターすることを目的とする。また汎用検出器では捉えられない、超前方の粒子による物理を探ることも目的である。検出器は CMS の衝突点の前後 440m の間に、複数設置される。
以下に各検出器の全体図や写真をのせる。

図 1.7 CMS 検出器の全体図 [9]8図 1.8 CMS 検出器の断面図 [25]図 1.9 CMS 検出器の写真 [25]図 1.10 ALICE 検出器の全体像 [24]図 1.11 ALICE 検出器の写真 [24]図 1.13 LHCb 検出器の写真 [24]図 1.12 LHCb 検出器の断面図 [24]9

1.3 ATLAS 実験の目指す物理
ATLAS 実験の第一目標はヒッグス粒子の探索である。ATLAS 検出器は対象を特定の事象に限定せず、目的にあわせて様々な事象のデータを取得できるように設計されているが、ヒッグス粒子の探索は運転開始後の比較的早い時期に画期的な成果をあげることができると考えられており最優先事項である。この他に、大統一理論に関わる SUSY（超対称性粒子）の探索や、余剰次元の存在の証明となるミニブラックホールの観測等、標準理論を越えた物理に関しても大きな成果が期待される。以下に ATLAS におけるヒッグス探索についてもう少し詳しく説明する。

1.3.1 ヒッグス粒子の探索
ヒッグス粒子の発見は LHC 稼動後、比較的初期段階（1〜3 年程度）に達成されると考えられており、LHC の最初の成果として強く期待されるものである。そこでヒッグス粒子の質量を様々に仮定したケーススタディを行い、LHC による発見シナリオが模索されている。以下でヒッグス粒子の生成過程、崩壊過程、これまでの実験による質量制限、

LHC による発見可能性について述べる。
1.3.1.1

ヒッグス粒子の質量制限

ヒッグス粒子の質量は理論的な制限から 1TeV 以下であると考えられている。また、重心系最大エネルギー 209GeV の電子陽電子コライダー LEP による電弱精密測定の結果から強い制限が得られており、その結果を図 1.14、図 1.15 に示す。図 1.14 は、LEP2 によるヒッグス直接探索の結果 114GeV までのヒッグスの存在が 95% で棄却されたことを示す。図 1.15 の実線及び青帯において ∆χ 2 = 2.7 となる 186GeV が 95 % の精度でヒッグ
スの質量上限となる。黄色の帯は LEP2 によってヒッグスのが存在が棄却された範囲であり、これを加味した場合のヒッグスの 95 % 上限は 219GeV となる。

1.3.1.2 LHC におけるヒッグス生成過程
はじめに主なヒッグス粒子生成過程のファインマン図を図 1.16 に、各過程の断面積を
図 1.17 に示し、順に説明する。

(i) gg → H(gluon fusion)

LHC ではグルーオンの寄与が大きいため、最も断面積の大きい過程となる。ヒッグス粒子との結合は質量の大きな粒子ほど強いので、主にトップクォークのループを介してヒッグス粒子が生成される。断面積が大きい反面、ヒッグス粒子が崩壊し10図 1.14 LEP2 によるヒッグス探索 [1]
横軸はヒッグス質量 [GeV]。実線が観測データ。
点線がヒッグスが存在せず、バックグラウンドのみとした場合のシミュレーション。緑帯は 1σ 、黄帯は 2σ を表す。95 % の信頼度で 114.4GeV

図 1.15

LEP によるヒッグス質量制限 [1]

横軸がヒッグス質量 [GeV]、縦軸は ∆χ 2 。実線がLEP の全データを統合したヒッグス質量と ∆χ 2の関係。青帯は高次補正を加えた場合の理論的不確かさ。黄色部分は LEP2 による直接探索によりまでのヒッグスの存在が棄却された。

存在が棄却された領域。

てできるもの以外に大きな横運動量を持つ特徴的な粒子を含まないのでイベントの識別が難しく、バックグラウンドの影響が大きいというデメリットを持つ。ただしヒッグス粒子が以下の崩壊をした場合はバックグラウンドとの区別可能となるので断面積の大きさをいかして解析に用いられる。
・ H → γγ・ H → ZZ → 4l
・ H → W+ W− → lν lν(ii) qq → qqH(VBF:vector boson fusion)

パートンの中で大きな運動量配分を持つことが期待できるヴァレンスクォークを起源とし、(i) の次に大きな断面積を持つ。また、質量の大きい W、Z ボソンの放出により強い反跳を受けた横運動量の大きなクォークが 2 本のジェットとして観測されるためイベントの識別が比較的容易である。加えてクォーク間のカラー交換が生じないので、その 2 本のジェットよりもラピディティーの大きい領域にはジェットが生じにくく、ヒッグス粒子の崩壊が観測される可能性の高いこの領域において

QCD バックグラウンドの影響が小さい。以上の理由から、LHC におけるヒッグス
探索における最有力候補とされている。

11

図 1.16

主なヒッグス粒子の生成過程のファインマン図

1

_
bb

σ(pp→H+X) [pb]10 2√s = 14 TeV

ZZ

Mt = 175 GeV

gg→H

10

CTEQ4M

10

-1

+ −

ττ
_
cc

1
10

qq→Hqq_-1

qq’→HW_gg,qq→Htt-3__

gg,qq→Hbb
10

-2

-2
_

10

tt-

gg
10

10

WW

BR(H)

-4

γγ Zγ

_

qq→HZ

10

-3

50
0

200

400

600

800

100

1000

MH [GeV]200
MH [GeV]500

図 1.18 標 準 模 型 に お け る ヒ ッ グ ス 質

図 1.17 標準模型におけるヒッグス質量量 MH [GeV] と 各 崩 壊 分 岐 比 の 関 係 (byMH [GeV] と生成断面積 σ [pb] の関係 [11]HDECAY)[11](iii) qq → (W/Z)H (W/Z associate production)
上記の過程と比べて断面積が数桁落ちるが、ベクターボソンがレプトンへと崩壊した場合にはレプトンをトリガーとして容易にイベントの識別が可能である。LEPと Tevatoron では、粒子と反粒子の衝突なのでこの過程の断面積が大きく、ヒッグ
ス探索の最有力候補であった。

12

1000

(iv) qq/gg → ttH(top associate fusion)

対生成されたトップクォークからヒッグス粒子が生成される過程。断面積は小さい
ものの、横運動量の大きいトップクォークが 2 つ含まれるためイベントの識別は容易である。この過程の断面積はヒッグス粒子とトップクォークの湯川結合の強さの二乗に比例するという特徴を持ち、断面積の測定が直接結合定数の情報につながるのが最大の魅力である。

1.3.1.3

ヒッグス粒子の崩壊過程

図 1.18 にヒッグス粒子の崩壊分岐比を示す。図のように崩壊分岐比はヒッグス粒子の質量によって大きく変化し、代表的な崩壊過程が異なる。以下で各質量領域で有望な崩壊過程について説明する。

(a) H → bb (MH < 150GeV)
ヒッグス質量が W ボソンの質量の 2 倍以下の領域では b クォーク対への崩壊が支配的となるため、低質量ヒッグスの場合の主力チャンネルである。しかしこの崩壊によって現れる b クォークジェット対は QCD バックグラウンドの膨大な 2 ジェットイベントとの区別がつかない。そこでこの崩壊過程は W/Z ボソン、t クォーク対といった特徴的な粒子を伴う (iii)、(iv) の生成過程に対してのみ用いられる。生成過程に伴う W、Z、t が崩壊してできる高 pT レプトンをトリガーとしてデータを記録することになるが、生成断面積の小ささが崩壊分岐比の大きさとトレードオフ
し、トータルのイベントレートは並である。b クォーク対による 2 ジェットの不変質量を組むことによりヒッグスのピークが現れるが、カロリメータによる高精度のエネルギー、角度測定が不可欠である。

(b) H → γγ (100GeV < MH < 150GeV)
100GeV〜150GeV の特定領域でのみそこそこの分岐比を持つが、この領域はヒッグスの存在する可能性が高いと考えられているので有望視されている。生成断面積が非常に大きいものの QCD バックグラウンドによる 2photon イベントの影響も大
きい生成過程 (i) と、生成断面積は小さいが高 pT レプトンによるバックグラウンドとの区別が容易な (iii)、(iv) の両方でスタディが進められている。電磁カロリメー
タで高い精度で 2 つの γ のエネルギーと角度を測定出来れば、不変質量を組むことでヒッグスの鋭いピークが現れる。

13

(c) H → ττ (110GeV < MH < 150GeV)(ii) の VBF 生成過程との組み合わせで 110GeV〜130GeV のヒッグスに対して有望視されているチャンネルである。ττ → lνν lνν 、または ττ → lνν hν のようにどちらかの τ がレプトン崩壊を起こした場合にこのレプトンをトリガーとしてデータを取得することになる。前者の分岐が 12% 程度、後者が 36% あり、さらにどちらの場合もニュートリノが終状態に含まれるため ETmiss の精密な測定が必要である。電磁カロリメータ、ハドロンカロリメータともに高い性能が要求される。主要なバッ
クグラウンドは Z → ττ のドレル・ヤン過程であり、これは Z の質量 91GeV 付近にピークを作るためこのピークと区別できるだけの質量分解能として 9GeV 以下が要求される。

(d) H → ZZ∗ → 4l (120GeV < MH < 180GeV)
生成断面積の大きい (i) のグルーオンフュージョンとの組み合わせにより、120GeV〜150GeV で有効とされるチャンネルである。終状態に複数のレプトンを含むためトリガーは容易であり、レプトンの再構成により Z の質量ピークが現れるという特徴も選別を容易にする。ただし mZ ≈ 180GeV 以下では Z の片方は仮想粒子となる
ため、Z のピークが得られるのは 4 つのうち 2 つの組み合わせのみである。

(e) H → WW∗ → lν lν (150GeV < MH < 180GeV)
170GeV の近辺では上記の H → ZZ∗ に代わって W ボソンへの崩壊が支配的となる。しかしこの過程は直接ヒッグスの質量を再構成できない。過剰イベントとして観測され、外挿により質量を求めることになる。

(f) H → ZZ → 4l (180GeV < MH < 600GeV)
比較的重いヒッグスの場合に主力となるチャンネルで、4 つのレプトンから 2 つの Z を再構成できるという条件によりバックグラウンドを効率的に落とすことが可能である。十分なルミノシティがあれば 800GeV 付近までは主力となりうるが、LHC の数年分のルミノシティでは 600GeV 以上は統計数が不足してしまう。また、ヒッグスの質量が高まるにつれ崩壊幅が急速に高まり、特に 300GeV 以上では検出器の分解能よりも崩壊幅が大きくなってしまい、質量分解能が低下していく。終状態のレプトンは高 pT を持つため測定は容易で、発見能力は検出器の性能よりもルミノシティに強く依存するチャンネルである。

(g) H → ZZ → lν lν (500GeV < MH < 700GeV)
この領域では、この過程の方が H → ZZ → 4l よりも分岐比が約 6 倍も高く VBF
生成過程のうち 25%〜30% を占める。Z → ll による 2 つの高 pT レプトンと、

14

H → νν による大きな ETmiss が特徴である。
(h) H → W+ W− → lν jj (600GeV < MH )高質量領域ではイベントレートの関係からどうしても断面積及び分岐比の大きい過程を使わざるをえない。この過程は非常に分岐比が大きいのが特徴で、

H → ZZ → 4l の実に 150 倍である。一方で 4 レプトン過程と比較するとニュート
リノやジェットを含むため信頼性は落ちる。バックグラウンドの効率的な除去のた
めに VBF 過程とあわせて用いる。また、分岐比は H → ZZ → 4l の 25 倍と劣るものの、H → ZZ → lν jj は tt バックグラウンドの影響を受けないという特徴があり、

H → W+ W− → lν jj の結果を補足する役割を期待されている。

1.3.1.4 ATLAS 実験のヒッグス粒子の発見能力
理論及び実験的制限からヒッグス粒子は 114GeV〜1TeV までの間にほぼ確実に存在す
ると考えられているが、上で述べた様々なチャンネルを通して、LHC 及び ATLAS はヒッグスの存在しうる全領域にわたって十分な発見能力を確保している。図 1.19 は LHC と

Tevatoron のイベント生成能力を示したもので、左側の点線が Tevatoron、右側が LHC である。150GeV ヒッグス、500GeV ヒッグス共に生成断面積が飛躍的に向上しているのが見て取れる。図 1.20、1.21、1.22 に示したのは、LHC で積分ルミノシティ 100 f b−1 、

10 f b−1 、30 f b−1 のデータが溜まった時点での各チャンネルを通したヒッグス粒子発見能力である。縦軸は、シグナルのイベント数を S、バックグラウンドのイベント数を B とし√て、S/ B である。この値が 5 以上であればほぼ確実に発見できると言え、100 f b−1 であればどの領域にヒッグスがあったとしても複数のチャンネルを通して発見が可能であることを示している。

1.3.2 ミューオントリガーの重要性
ヒッグス探索において、興味のある過程の終状態の多くがレプトンを含むことがわかった。また、超対称性粒子の探索においても同様であることがわかっている。よって QCD
バックグラウンドとシグナルイベントを区別する際には、レプトンを利用したトリガーは大変有効に働く。特に、高 pT ミューオンをトリガーとして利用することで、バックグラ
ウンドイベントを効率的に落とすことが可能なためミューオントリガーは重要である。図1.23 に示したのは、各粒子がミューオンに崩壊する場合の断面積とミューオンの pT の関係である。バックグラウンドに多い c,d,s クォーク等は高 pT になればなるほど崩壊しにくくなるのに対して、シグナルイベントに多い W,Z ボソンの崩壊断面積はミューオンのpT にあまりよらないことがわかる。図 1.24 はバックグラウンドから発生するミューオン

15図 1.20 積分ルミノシティ 100fb−1 における LHC のヒッグス発見能力 [3]√縦軸が S/ B、横軸がヒッグス質量。
100fb−1 は、アップグレードがない場合 10 年分のデータ量に相当する。

図 1.19 LHC のイベント生成能力 [8]縦軸が断面積 [nb]、横軸が重心系√
衝突エネルギー S[TeV]。
左の点線 (2TeV) 付近が Tevatron、
右の点線 (14TeV) 付近が LHC を表す。
150GeV ヒッグス、500GeV ヒッグス

どの領域でも複数チャンネルで5σ 以上の発見能力を有する。

共に数桁の向上が見込める。

の pT 分布で、ほとんどが 1.5GeV 以下の低 pT ミューオンであることがわかる。よって、
高 pT のミューオンを要請することでシグナルに対してバックグラウンドを大幅に減らすことが可能なのである。

ATLAS では電磁カロリメータによる電子トリガー、ミューオンスペクトロメータ(TGC、RPC) によるミューオントリガーを実装している。また、電磁カロリメータはフォトンによるトリガーの役割も果たす。

16

図 1.21

積分ルミノシティ 10fb−1 におけ

図 1.22 積分ルミノシティ 30fb−1 における ATLAS のヒッグス発見能力 [3]√縦軸が S/ B、横軸がヒッグス質量。
10fb−1 は、アップグレードがない場合

る ATLAS のヒッグス発見能力 [3]√縦軸が S/ B、横軸がヒッグス質量。
30fb−1 は、アップグレードがない

1 年分のデータ量に相当する。

場合 3 年分のデータ量に相当する。

図 1.23 各粒子のミューオン崩壊の断面積と崩壊後のミューオンの pT [GeV] の関係。

[18]

17

図 1.24 バックグラウンドイベントから発生するミューオンの pT [GeV] 分布 [18]

第2章

ATLAS 検出器について
ATLAS 実験は未知のエネルギー領域における新粒子や新物理現象の探索を主目的とする汎用実験である。LHC を用いて行われる実験の中で、規模、検出器の大きさ共に最大であり 35 カ国以上、150 以上の大学や研究施設から 2000 人を超える研究者が参加している。この章では ATLAS を構成する各検出器と、トリガー機能について述べる。

2.1 ATLAS 検出器の構成
2.1.1 ATLAS 検出器の全体像
ATLAS 検出器の大きさは長さ 44m、直径 25m の円筒形で、総重量は 7,000 トンに達する。全体像を図 2.1 に示す。ATLAS を構成する検出器は大まかに内部飛跡検出器、カロ
リメータ、ミューオンスペクトロメータと分類でき、衝突点から見て概ねこの順番に並んでいる。またソレノイド磁場とトロイダル磁場を両方備えている。

図 2.1 ATLAS 検出器の全体像 [24]18

2.1.1.1 ATLAS で用いる座標系
ATLAS でよく用いられる座標系としては、衝突点を原点としたデカルト座標系 (x,y,z)と円筒座標系 (r,φ ,z) がある。図 2.3、図 2.2 に座標系を視覚的に示した。z 軸がビーム軸とほぼ一致し、x が LHC メインリングの内側を向くように、y が天頂方向を向くようにとる。z が正側を A サイド、負側を C サイドと言う。また、r のかわりに η = −log(tan( θ2 ))で定義される擬ラピディティを用いることが多い。η を用いる利点は単位 η あたりの衝
突点由来の飛来粒子の頻度が、広い範囲にわたって η の値に寄らず一様になることである。|η | ≤ 1 にあたる円筒の筒にあたる領域をバレル部、|η | > 1 の蓋にあたる領域をエンドキャップ部と呼んでいる。さらに図 2.4 に示したように、エンドキャップ部のうち特にビーム軸に近い |η | > 1.9 の部分をフォーワード、残りの 1 < |η | ≤ 1.9 の部分をエンドキャップと区別する場合があるため、混同を避けるために本論文では以後 |η | > 1 にあたる広義のエンドキャップのことを前後方部と表記することにする。本論文の題名の表記もこれに拠っている。また座標系についても以後、上記のものを断らずに用いる。

図 2.2 ATLAS 検出器の座標系 [24]19

図 2.4バレル、エンドキャップ、フォワー

ドの区別
図 2.3 ATLAS 検出器の座標系 2

本論文では図中の Endcap と Forward をあわせて前後LHC メインリングを真上から見た図。z 軸はビームパ方部と呼ぶ。

イプとほぼ一致する。

2.1.1.2 ATLAS の設計思想
LHC の非常に高いルミノシティにおいて、様々な物理解析に使える汎用性のあるデー
タを漏らさず取得するために ATLAS は以下のようなコンセプトの基に設計されている。

• フォトン、電子、ミューオン、ジェット、ETmiss（消失横方向エネルギー）などの情報をそれぞれ高精度で測定可能• 衝突点まわりの全方向をできるだけカバーする• LHC の 40.08MHz という高頻度のイベントによる情報を漏らさずに記録できる• 多大な放射線に耐え、10 年以上安定稼動できる
電子とフォトンの位置とエネルギーは電磁カロリメータによって、ジェットの位置とエネルギーはハドロンカロリメータによって精度良く測定される。また、これらのカロリ
メータは方位角 φ の全方位と、出来うる限りの η をカバーしている。ミューオンに関してはミューオンスペクトロメータ単体での軌道と運動量の測定が可能となっており、これは後述のトリガーを効率よく行うためである。またトロイダル磁場の採用によって、広いη をカバーし低 pT（横運動量）のミューオンも測定できるようにした。衝突点まわりの出来る限りの広い方向で各粒子を精密測定することで結果的に ETmiss が精度良くわかることになる。広範囲の全粒子情報をカバーした結果、高いルミノシティーと相まって ATLASで生じうる情報量は〜数十 TBytes/s にも達するが、現在の技術的限界から 300MBytes/s
程度までしか記録することができない。そこで 40.08MHz という高頻度と同期して、かつ出来るだけ漏れなく必要な情報を選別可能なトリガー機能が必須となる。ATLAS では

3 段階のトリガーを用いてこれを実現する。放射線耐性に関しては設置場所に基づいて放20射線強度を見積もり、必要なだけの耐性が得られる検出器やエレクトロニクスを用いている。
以下では上記のコンセプトを実現する ATLAS の各検出器について概要を述べる。トリ
ガー機能の詳細については次節で述べる。

2.1.2 マグネットシステム
ATLAS では、磁場による粒子の軌跡の曲がり具合から粒子の運動量を求めるために磁場がかけられている。そのためのマグネットシステムは 3 種の超伝導磁石からなる。ビー
ム軸に沿った磁場を発生させるソレノイド磁石と、φ 方向の磁場を発生させるバレル部及び前後方部の空芯トロイド磁石である。トロイド磁石の存在により η が大きい領域でも粒子が十分な距離、磁場中を通過するように設計されている。図 2.5、図 2.6 に各磁石の配置を示した。以下それぞれの概要を述べる。

2.1.2.1

超伝導ソレノイド磁石

コイルは内部飛跡検出器とバレル部電磁カロリメータの間に設置され、ビーム軸に沿った 2T の磁束密度を内部飛跡検出器に提供する。コイル部分は z 方向の長さ 5.3m、直径2.4m、径方向の厚さ 45mm という非常に薄い筒の形をしている。この薄さは電磁カロリメータの内側の物質量を最低限にしてカロリメータの分解能を損なわないようにするというコンセプトの基に• バレル部電磁カロリメータとクライオスタットを共用する。
• 専用に開発した高強度アルミ安定化 NbTi 超伝導ケーブルをコイルに用いて一層巻きでも強い磁場が得られるようにした。

• クエンチの伝播を速くするためにクライオスタット内壁とソレノイドの間に厚さ2mm 純アルミ板を使用した。
といった工夫を重ねることで実現した。図 2.7 に写真を示す。

2.1.2.2

バレル部超伝導トロイド磁石

トロイド磁石はバレル部と前後方部にわかれていて、2 つあわせて 0 ≤ |η | ≤ 2.7 の領域をカバーするトロイダル磁場を発生させる。図 2.5 の通り、バレル部はハドロンカロリ
メータ及び前後方部トロイド磁石を囲うように φ に対する 8 回対称で設置される。8 個のコイルがそれぞれ独立した真空容器に入っており、全体の大きさは長さ 25.3m、内径9.4m、外径 20.1m にもなる。なお発生する磁束密度平均で 0.5T である。図 2.8 に ATLAS
実験ホール内に設置されたバレルトロイドの写真を示す。

21

2.1.2.3

前後方部超伝導トロイド磁石

前後方部トロイド磁石は、A サイド、C サイドのそれぞれで、最内側にある前後方部
ミューオンスペクトロメータの外側に設置される。図 2.5 の通りコイルはバレル部と同じ
く 8 回対称で、1 つのクライオスタットの中に 8 コイルが全て収まる。大きさは長さが5.0m、内径 1.65m、外径 10.7m、磁束密度の平均は 1.0T である。図 2.9 に写真を示す。エンドキャップ部のコイルの外径側はバレル部のコイルの内径側と入れ子になるよう交互に配置されているが、これは境界部の磁場をなるべく均一にするためである。理想的にはトロイダル磁場は φ 方向成分のみを持つべきであるが、図 2.10 及び、図 2.11 に示す通り境界部の磁場は複雑で r 方向成分も相当あることがわかる。また、境界部以外でも強度は低いものの r 方向成分の発生が避けられない。このため、ミューオンは φ 方向にもわずかながら曲げられることになり、ATLAS のミューオンスペクトロメータでは φ 方向の曲がりも測定できるように設計されている。

図 2.5

ATLAS 検出器のマグネットのイ
メージ図 [4]図 2.68 回対称のトロイドコイルがバレル部及び両サイドの前後方部にあるのがわかる。中心の円筒はソレノイド磁石
である。

22

マグネットと検出器の配置を xy 平

面で見た図 [9]図 2.8
図 2.7

超伝導ソレノイド

磁石 [24]

バレル部超伝導トロイド磁

石 [24]

図 2.9

前後方部超伝導ト

ロイド磁石 [4]オレンジのテープが張られたものがトロイド クライオスタットに入ったコール
磁石で 8 回対称になっているのがわかる。 ドマスの様子。8 回対称のコイルと構造体が見える。

図 2.10 トロイド積分磁場強度∫

Bdl[Tm]と η の関係 (at φ = 0,φ = π /8)[4]

図 2.11 xy 平面における磁場の形 (z=10.5m)[7]積分範囲は最内のミューオンスペクトロメーターから最外のものまで。バレルと前後方部の境界では非常に複雑でマイナスになる領域もある。

横軸 x[cm]、縦軸 y[cm]、磁力線の 1 本が 0.1Tm に相当する。バレル部とエンドキャップ部それぞれのコイルが見てとれる。

23

2.1.3 内部飛跡検出器
内部飛跡検出器は超伝導ソレノイドの内側の領域に設置され、ピクセル型半導体検出器(Pixel)、シリコンストリップ検出器 (SCT)、遷移輻射飛跡検出器 (TRT) の 3 種からなる。

φ 方向全て、及び η < 2.5 の領域をカバーしている。図 2.12 に内部飛跡検出器の全体像を示す。内部飛跡検出器の主な役割は荷電粒子の軌跡を再構成し、磁場中での曲がり具合を知ることで粒子の pT や電荷を測定することである。以下で順に概要を説明する。

図 2.12 内部飛跡検出器の全体像 [4]2.1.3.1 Pixel
Pixel は r ≤ 10cm の衝突点から最も近い領域に設置される検出器である。50µ m ×400µ m または 50µ m × 600µ m を 1 ピクセルとし、1 つのモジュールは 47268 ピクセルからなる。最内部に位置するので、高イベントレートに対応するため 2 次元読出しを実装し 1 ピクセル毎に読出しをする。バレル部が 3 層、前後方部が両サイド 3 層ずつで構成され、トータル 8000 万ピクセルで 1.8m2 の領域をカバーする。その特徴は rφ 方向で10µ m、z 方向で 115µ m という高い位置分解能である。図 2.13 に全体像を、図 2.14 にモジュールの写真を示す。

24

図 2.14 ピクセルモジュールの写真 [9]6.4cm×2.1cm の大きさの 1 つのモジュールは 47268

図 2.13 ピクセル型半導体検出器の全体像 [24]ピクセルからなる。各ピクセル毎に読出しを持つ。

2.1.3.2 SCT (Semi Conductor Tracker)
Pixel 同様に多数のシリコン検出器の集合体からなり、位置分解能は rφ 方向で 17µ m、
z 方向で 580µ m である。1 つの SCT モジュールは 6〜7cm 角の長方形シリコンウェハー
2 枚からなり、それぞれのウェハーには 80µ m 幅の読み出し用アルミニウムストリップが敷き詰められており、1 枚あたりに 768 本のストリップがある。1 つのモジュール内で 2
枚のウェハーは 40µ rad だけ角度をずらして貼り合わされるので 1 本のストリップは他方の 30 本のストリップと交わることとなり、2 次元位置情報を得ることが可能となっている。バレル部ではモジュールを円筒の筒面上に並べたものを 4 層、前後方部では円盤状に並べたものを両サイドに 9 層ずつ配置している。なお、ストリップはバレル部ではビー
ム軸と平行に、前後方部では径方向になるようにモジュールが配置されている。トータル

4088 モジュール、600 万の読出しストリップで 61m2 の領域をカバーする。それぞれの写
真とイメージを図 2.15、2.16、2.17、2.18 に、モジュールの写真を図 2.19、2.20 に示した。

図 2.15

SCT 前後方部の写真 [29]図 2.16 SCT バレル部の写真 [29]25

図 2.17

SCT 前後方部の構成 [29]図 2.18 SCT バレル部の構成 [19]両サイド 9 層ずつの円盤からなる。

4 層の円筒からなる。

図 2.19

SCT 前後方部用のモジュールの写

図 2.20 SCT バレル部用のモジュールの写

真 [29]

真 [29]

2.1.3.3 TRT (Transition Radiation Tracker)
SCT よりさらに外の領域のトラッキングには TRT が用いられる。理由の 1 つにはシリ
コンストリップ検出器で広い面積をカバーすることはコストの面から現実的でないということがある。TRT はストローチューブ検出器を重ね、その隙間をポリプロピレンファイ
バーで埋めた構成になっている。ポリプロピレンは遷移放射物質としての役割を持ち、荷電粒子が通過すると繊維表面に生じた誘起電位で粒子が減速され、遷移輻射により X 線が放出される。ストローチューブは直径 4mm、長さ 40〜150cm の筒の中に 30µ m の金
メッキタングステンワイヤーを貼り、Xe 70%, CO2 27%, O2 3% の混合ガスを封入した構造になっており、優れた X 線検出器となる。バレル部ではビーム軸に平行なストローチューブ 52544 本を 73 層に、エンドキャップ部では径方向に平行な 122880 本を 160 層に並べており、それが両サイドに設置される。それぞれ z 方向、r 方向の位置情報は得られず 2 次元位置情報となる。位置分解能は 130µ m と、Pixel や SCT と比べると低くなる
が、多層構造によりトラックキングに用いる点が平均して 35 点得られるため精度良く軌跡を求めることができる。また、TRT の信号はその大きさによって、高閾値ヒット (5keV以上) と低閾値ヒット (0.2keV〜5keV) に分けられている。電子はミューオンやタウと比26

べて軽いので遷移輻射がおきやすく、高閾値ヒットが相対的に多くなるため、これは電子の同定に用いられる。図 2.21、図 2.22 に写真をのせる。

図 2.21 TRT バレル部の写真 [9]図 2.22 TRT の前後方部の写真 [9]2.1.4 カロリメーター
カロリメータの役割は電子や γ 線、ジェットなどのエネルギー、角度の測定である。

ATLAS では、電子と γ の情報を得るための電磁 (EM) カロリメータと、ジェット情報を得るためのハドロンカロリメータに大別される。図 2.23 にカロリメータの全体像を示す。
以下でそれぞれについて説明する。

2.1.4.1

電磁カロリメータ

電磁カロリメータの役割は電子や γ のエネルギー、角度の測定である。ATLAS では、鉛の吸収体と放射線耐性に優れる LAr(液体アルゴン) から成るサンプリングカロリメータ
を用いている。アコーディオン構造をしているのが特徴で、φ 方向の不感領域を無くすと共に、読出しをシリアルにすることで速度を高め、LHC の高頻度衝突に対応できるようにしている。|η | < 1.5 を担当するバレル部と、1.4 < |η | < 3.2 を担当する前後方部にわかれているが、構造は基本的に共通である。読出しチャンネル数はバレル部で約 10 万チャ
ンネル、前後方部で 7 万チャンネルにも達する。アコーディオン構造の写真を図 2.24 に、シミュレーションによるイメージ図を図 2.25 に示す。
電磁カロリメータは 3 層に分割して別個に電圧をかけられるようになっており、それぞれに役割を持たせている。3 層構造のイメージ図を 2.28 に、各層の放射距離の η 分布を
図 2.29 にを示した。それぞれの特徴はFront(Layer1) η 方向の超精密測定により、π0 → γγ による γ の同定が可能。
Middle(Layer2) η , φ ともに精密測定が可能。主にシャワーの測定を担う。
27

図 2.23 カロリメータの全体像 [24]Back(Layer3) ハドロンシャワーと電磁シャワーの区別を行う。
のようになっている。層毎の位置分解能も図 2.28 に示した。時間分解能は 100ps 程度で、全体でのエネルギー分解能は電子のエネルギーを E[GeV] として∆E 10.1 ± 0.4%
= √⊕ (0.2 ± 0.1)%
E
E[GeV](2.1)と表される。第 1 項は信号の電子の数 N の統計的揺らぎによるサンプリング項、第 2 項
はキャリブレーション精度や温度の揺らぎによる定数項である。E=100GeV の場合には
約 1% の分解能で測定可能である。

Layer1 の前に厚さ 11mm、∆η × ∆φ = 0.025 × 0.1 のグラニュラリティを持つプリサン
プラーが設置されている。プリサンプラーには電磁カロリメータと同様に液体アルゴンが用いられていて、エネルギーの一部をサンプリングしカロリメータの手前でのエネルギー
損失による測定値のずれを修正することでエネルギー分解能の向上に役立つ。

28

図 2.24 電磁カロリメータのアコーディオ
図 2.25 電磁カロリメータを粒子が通過しン構造 [9]た際のシミュレーション [9]図 2.26 バレル部 LAr 電磁カロリメータ [9]2.1.4.2

図 2.27 前後方部 LAr 電磁カロリメータ [24]ハドロンカロリメータ

ハドロンカロリメータはジェットの測定を目的としていて、|η | < 1.7 のバレル部と1.5 < |η | < 3.2 のエンドキャップ部で構造が異なり、それぞれ Tile、HEC と呼ばれる。
■Tile：バレル部 Tile ハドロンカロリメータ
バレル部では、吸収体となる鉄板とタイル型シンチレータを交互に重ね合わせた構造のカロリメータを用いる。鉄板とシンチレータの体積比はおよそ 4.7：1 である。図 2.30 に構造を示す。グラニュラリティーは ∆φ × ∆η = 0.1 × 0.1〜0.1 × 0.2、エネルギー分解能は∆E 56.4 ± 0.4%
⊕ (5.5 ± 0.1)%= √E
E[GeV](2.2)

で表される。図 2.31 に一部の写真をのせる。
■HEC：エンドキャップ部 LAr ハドロンカロリメータ
エンドキャップ部は放射線強度が高いため、電磁カロリメータと同じく LAr を用いた

29

図 2.28 バレル部 LAr 電磁カロリメータの 3 層構造 (η = 0 部分)[4]

サンプリングカロリメータである。吸収体は銅を使っている。エネルギー分解能は∆E 70.6 ± 1.5%= √⊕ (5.8 ± 0.2)%
E
E[GeV](2.3)

である。図 2.32 に構造を、図 2.33 に写真をのせる。

2.1.4.3 FCal：フォワードカロリメータ
3.1 < |η | < 4.9 をカバーするフォワード部では、最も高い放射線強度に対応するため特殊な構造のカロリメータを用いている。フォワード部は 3 層のカロリメータとシールドプ
ラグからなっており、Layer1 が電磁カロリメータ、Layer2,3 がハドロンカロリメータである。シールドプラグは銅の合金製で Layer3 の後ろに設置され、後方のミューオンスペ
クトロメータにおけるバックグラウンドを減らす役割を持つ。図 2.34 に配置を示す。
カロリメータは、銅板にあけた穴に同軸の銅製チューブとロッド (棒) を通した構造になっている。ロッドの周りには高放射線耐性のプラスチックファイバーが巻かれておりチューブとの間には 300µ m 隙間があくようになっていて、この隙間を LAr で満たす。

30

図 2.29 電磁カロリメータの放射距離の η 分布 [4]左がバレル部電磁カロリメータ、右が前後方部電磁カロリメータ。なお X0 とは、電子が物質中を通り抜ける際に電磁相互作用によりエネルギーが 1e となる距離である。

図 2.31 バレル部 Tile ハドロンカロリメー
タの一部 [24]図 2.30 Tile カロリメータの構造 [4]これを放射状に並べて円筒形にする。
鉄の吸収体とタイル型シンチレータが重ね合わされている。各タイルは径方向に平行に並べられている。

Layer1 ではロッドは銅製、Layer2,3 では吸収長を増やすためにタングステン製である。
エネルギー分解能は∆E 94.2 ± 1.6%
= √⊕ (7.5 ± 0.4)%
E
E[GeV](2.4)

である。図 2.35 に構造のイメージ図を示す。最後に、全カロリメータの吸収長の和が η
毎にどのようになっているかを図 2.36 に示す。

31

図 2.33 エンドキャップ部 LAr ハドロンカ
ロリメータ [9]図 2.32 エンドキャップ部 LAr ハドロンカ
ロリメータの構造 [4]真ん中の筒状の穴の中にビームパイプと FCal が入る。
これを円筒状に並べると右図のようになる。

図 2.34 FCal の配置 [4]

図 2.35 FCal の構造 [4]2.1.5 ミューオンスペクトロメーター
ミューオンスペクトロメータはその名の通りミューオンを測定するのが目的で、ATLAS
検出器の最外に配置される。ミューオンは弱い相互作用で崩壊するので 2.2µ s と長い寿命を持ち、さらに物質の透過力が強いので十分なエネルギーを残したままミューオンスペク
トロメータに到達することが出来る。
ミューオンはイベントの再構成のために運動量を精密測定する必要があるだけでなくイ
ベントトリガーとしての役割も持つ。ATLAS では 40.08MHz という非常に高い頻度で衝突が起こるため、トリガーの発行に特化した検出器と位置測定に特化した検出器を別個に実装している。位置検出を行うのが MDT と CSC、トリガー機能を担うのが TGC と RPC
である。

32

図 2.36 η 毎のカロリメータの吸収長 [4]Tile(バレル部ハドロンカロリメータ)、HEC(エンドキャップハドロンカロリメータ)、FCal(フォワードハドロン
カロリメータ)、EMcalo(電磁カロリメータ) を各色で示してある。η ≤ 3 の領域の水色の部分はミューオンスペ
クトロメータまでにある構造体などによる吸収長である。ベージュの部分はカロリメータのアクティブ領域までにある物質による吸収長である。

■位置測定

トロイダル磁場による rz 平面内でのミューオンの曲がり方を精密に測定することで運動量を測定できる。MDT はバレルと前後方部の広い領域に多数設置され、位置精密測定の主役を担う。CSC は衝突点に近く、さらに η の大きいフォワード部の測定に特化している。これはこの領域は非常に放射線強度が高く、多大なバックグラウンドによって MDT がうまく働かないためである。
■ト リ ガ ー

現 在 の 技 術 で は ATLAS の 全 デ ー タ を 保 存 す る こ と は 不 可 能 な た め 、

40.08MHz の高頻度に対応して、高い時間分解能で正確なトリガーを発行する機能が必要である。前後方部のトリガーを担うのが TGC で、バレル部を担うのが RPC である。
またこれらは解像度は落ちるものの φ 方向の位置測定も行う。トロイダル磁場は理想的には φ 方向成分のみを持つが、現実にはそうはならず粒子は φ 方向へも曲げられるためトラック再構成の際に補正する役割を果たす。
図 2.37、2.38 に配置を示す。図 2.39 には検出器毎の飛来粒子の頻度を示す。以下、それぞれについて説明する。

33

図 2.38 ミューオンスペクトロメータの配置 (rz 平面)[7]

水色が前後方部 MDT、緑色がバレル部
図 2.37 ミューオンスペクトロメータの配MDT、紫色が TGC、白色が RPC、黄色が置 (xy 平面)[7]

CSC。

図 2.39 ミューオンスペクトロメータの飛来粒子の頻度 [4]2.1.5.1 MDT (Monitord Drift Tube)MDT は径約 30mm のカソードチューブに径 50µ m のアノードワイヤーを張った構造をしており、位置解像度は理想的にはチューブの径方向に 50µ m、バックグラウンドの影
響を考慮すると 80µ m となる。ATLAS の広い領域で rz 平面内のミューオンの位置精密測定を担う。バレル部、前後方部それぞれ 3 層ずつ設置され、内側からバレル部が BI、

34

BM、BO、前後方部が EI、EM、EO と呼ばれる。荷電粒子の通過と、それによって生じる電子雪崩に起因するパルスの発生の時間差によってチューブ内の粒子の通過位置を測定する。位置精密測定という役割から、検出器の正確な設置は当然として、重力や温度による歪みも排除する必要がある。そこで複数のレーザーをフレームに通して、設置後の位置のずれを監視できるように設計されている。図 2.40、2.41 にチューブとフレームの構造を、図 2.42、2.43 に写真を示す。また、MDT の主要なパラメータを表 2.1 に示した。

図 2.41

チューブの配置と位置監視用のレーザー [4]チューブを 3、4 本重ねたものをフレームに固定し 1 層とする。正確な位置情報を得るために位置監視用のレーザーが複数通る。

図 2.40 MDT のチューブの構造 [4]2.1.5.2 CSC (Cathode Strip Chamber)
CSC は衝突点に最も近い層の、2.1 < |η | < 2.7 のフォワード領域における位置検出を担う MWPC(Multi Wire Proportional Chamber) である。MDT ではカウントレートの上限
が〜150Hz/cm2 であるのに対して、CSC は〜1000Hz/cm2 まで対応できる。

• ドリフト時間が 40ns 以下と短く、時間解像度が 1 層あたり 7ns と高い。
• 高頻度で生じる 2 トラックに対して高い解像度を持つ。
• ガス量が少なく、水素を含まないので、中性子線への感度が低い。
といった特徴が、放射線強度の高いこの領域で MDT ではなく CSC を用いる理由となる。

35

図 2.43 製造中の MDT の写真 [24]図 2.42 MDT の写真 (A サイドミドルレイヤー)[24]チューブ素材Al

チューブの外径29.970mm

チューブ厚さ0.4mm

陽極ワイヤー電圧

3080V

ワイヤー素材

金メッキ W/Re 合金 (97/3)

ワイヤー直径

50µ m

ガス組成

Ar/CO2 /H2 O (80/20/1000ppm 以下)

ガス圧

3barr

ガスゲイン

2 × 104

最大ドリフト時間〜700ns1 チューブでの平均位置解像度〜80µ m

表 2.1 MDT の主なパラメータ [4]

CSC は平行に並ぶ陰極ストリップで挟まれたガスギャップに、ストリップと垂直になるように陽極ワイヤーを張った構造となっている。陽極ワイヤー-陰極ストリップ間の距
離、ワイヤー同士の距離、ストリップ読出幅が 2.54mm と等しい。積極的にストリップ
チャンネル間でクロストークを起こし、複数のストリップの信号に対して重心法を用いる
ことで 60µ m 以上の精度での位置検出を可能としている。図 2.44 にチェンバーの構造を、
図 2.45 に写真をしめす。表 2.2 に CSC の主要なパラメータを示す。

36

図 2.44 CSC の構造 [4]

図 2.45 CSC の写真 (中央部の茶色部分)[24]

ガスギャップ5.08mm

陽極ワイヤー電圧

1900V

ワイヤー素材

金メッキ W/Re 合金 (97/3)

ワイヤー直径

30µ m

ワイヤーピッチ

2.54mm

陰極ストリップ読出幅

5.08mmガスゲイン

6 × 104

ガス組成

Ar/CO2 (80/20)

位置解像度

60µ m

表 2.2 CSC の主なパラメータ [4]2.1.5.3 RPC (Resistive Plate Chamber)
RPC は |η | < 1.05 のバレル部のトリガー及び、φ z 方向の 2 次元位置情報を測定するガ
スチェンバーである。高抵抗 (1010 Ωcm) ベークライトの平行ストリップ間のガスギャッ
プに高電圧をかける構造で、特徴は直交配置されたストリップによる 2 次元読出しで、φ方向の位置解像度は 5mm〜10mm、時間分解能は 2〜3ns である。BM の内と外及び、BOの外の計 3 層で構成される。構造を図 2.46 に、写真を図 2.47 に示す。主なパラメータを
表 2.3 にまとめた。

2.1.5.4 TGC (Thin Gap Chamber)
TGC に関しては本論文の主題であるため詳細は次章に譲り、ここでは概要を述べるに留める。TGC は、1.05 < |η | < 2.4 の前後方部のトリガー及び、rφ の 2 次元位置測定を担

37

図 2.47 RPC の写真 [24]図 2.46 RPC の構造 [9]ガスギャップ

2.0mm

ストリップ間電圧

9800V

ストリップ読出幅 (η /φ )23mm/35mm

ガス圧

1.0 ± 0.5 mbarr

ガスゲイン

6 × 104

ガス組成

C2 H2 F4 /iso − C4 H10 /SF6 (94.7/5/0.3)

位置解像度

0.5〜1.0mm(φ )表 2.3 RPC の主なパラメータ [4][7]うガス検出器である。MWPC の一種で基本的な構造は CSC と同じである。ワイヤーによって r 方向を、ストリップによって φ 方向を測定する。特徴は名前の通りガスギャップ
が 2.8mm と狭いことで、アノードのワイヤー間隔が 1.8mm なのでワイヤー同士の距離よりもワイヤーとストリップとの距離のほうが短い。これは 25ns 間隔 (40.08MHz) で起こる衝突に対して、それよりも十分に短い時間での信号読出しを可能にするためである。図2.48 に TGC の構造を示す。
TGC は両サイドに 4 層ずつあり、内側からインナー、TGC1、TGC2、TGC3 と呼ばれる。TGC1、TGC2、TGC3 と MDT の EM でビッグウィールと呼ばれる大きな円盤状の検出器群を構成する。また TGC インナーの一部と MDT の EI の一部をあわせてスモー
ルウィールと呼ばれる。図 2.49 にビッグウィールの写真をのせる。主なパラメータを表2.4 にまとめた。

38

図 2.49 TGC ビッグウィールの写真 [24]図 2.48TGC の構造 [7]ガスギャップ2.8±0.10mm

陽極ワイヤー電圧

2900±100V

ワイヤー素材

金メッキ W/Re 合金 (97/3)

ワイヤー直径

50µ m

ワイヤーピッチ

1.8±0.05mm

陰極ストリップ読出幅

14.6mm 〜 49.1mm

ガスゲイン

3 × 105

ガス組成

CO2 /n − C5 H12 (55/45)

位置解像度

〜1cm

表 2.4 TGC の主なパラメータ [4][7]2.2 ATLAS 実験における DAQ システム
LHC では L = 1034 cm−1 s−1 という高ルミノシティを実現するために、40.08MHz の高頻度ビーム衝突毎に平均 23 の陽子衝突が生じ、1 回のビーム衝突の情報量は 1.6MByte
程度なので、秒間数十〜数百 TByte の情報量になる。しかしながら、現在の記憶装置の技
術的限界により、記録可能な情報量は 450Mbyte/s 程度に制限され、生データ以外に処理結果等も記録することを考慮すれば記録すべき衝突のレートは 200Hz 程度まで落とす必要がある。これは元々のデータの 0.0005% に過ぎない量である。従って、膨大なバックグラウンドを含むデータから、物理的に興味のある情報を含むイベントのみを効率よく、かつ高速にピックアップするトリガー機能の実装が不可欠であった。この節では ATLAS
検出器においてどのようにトリガーが機能しデータが記録されるかを説明する。

39

2.2.1 トリガーシステムの全体像
ATLAS トリガーシステムはレベル 1、レベル 2、EventFilter(レベル 3) の 3 段階のトリガーにより 40MHz → 75kHz → 3.5kHz → 200Hz と段階的にレートを落としている。図2.50 にトリガーとデータの流れの全体像を示す。
まず各検出器から出た全ての情報は、各検出器のデータ処理システムに備えられたパイ
プラインメモリに一時的に保持される。TGC、RPC、カロリメータの情報によりレベル 1
トリガーの判定がなされ、L1A(Level1 Accept) 信号が発行される。L1A は衝突の発生から 2.5µ s 以内に発行されることになっており、パイプラインメモリはその間の情報を全て保持できるように 128 段構造 (25ns × 128 = 3.2µ s) となっている。L1A を受け取った各システムはパイプラインバッファーから該当イベントの情報を送り出し、データの圧縮や整形の処理を行い所定のフォーマットにし ROD(ReadOut Driver) に送る。この時、各データに何番目のバンチ衝突の情報であるかを示す BCID(Bunch Crossing ID)、何番目のL1A 信号によってアクセプトされたデータであるかを示す L1AID などのタグ情報が付随される。ROD ではイベント毎にデータを集め、データのフォーマットやタグ情報の整合性を確かめた後に ROB(ReadOut Buffer) に送る。ROB ではレベル 2 のトリガーの判断がなされるまでデータが保持される。複数の ROB をまとめたものを ROS(ReadOut System)という。レベル 2 トリガーはミューオンスペクトロメータ、カロリメータ、内部飛跡検出器の情報を統合しコンピュータを用いて計算を行い判断を下すソフトウェアトリガーであるが、40ms という短い時間で処理する必要があるので ROI(Region Of Intrest) と呼ばれる特定領域に属する各検出器の情報のみを用いている。どの領域をそのイベントに対する

ROI とするかの判断はレベル 1 トリガーシステムでなされており、レベル 2 のシステムに ROI 情報を渡している。レベル 2 トリガーを通過したイベントは EF ファームに保持され、EF(レベル 3 トリガー) の最終判断を待つ。EF では、全検出器の全領域の完全な情報を使った複雑な計算によってトリガー判定がなされ、これを通過したデータが最終的に記録される。EF の判断にかかる時間は 4sec 以内となるように決められている。以下で各レベルのトリガーについてもう少し詳しく説明する。

2.2.2 レベル 1 トリガー
レベル 1 トリガーではイベントレートを 40.08MHz から 100kHz まで落とす。トリガーの判断を下し L1A 信号が各検出器システムのパイプラインメモリに届くまでにかかる時
間 (レイテンシー) として 2.5µ s 以内という大変短い時間が要求される。そのため、レベル 1 トリガーシステムはコンピュータによる計算は行わず、電気回路によって全ての判断を下すハードウェアトリガーとなっている。

40

図 2.50 ATLAS トリガーシステムの全体像 [5]

レベル 1 トリガーシステムは、TGC、RPC、カロリメータの各検出器システム及び、

MUCTPI(MUon trigger to CTP Interface)、CTP(Central Trigger Processor)、TTC(Timing
Trigger and Control distribution system) から構成されている。内部飛跡検出器、MDT、CSC といった検出器の情報を使用するにはコンピュータによる計算が不可欠となるため
レベル 1 で十分にレートを落とした後のレベル 2 から使用される。TGC、RPC からはミューオンの pT が、カロリメータからは精度を粗くした e、γ 、ジェット等のエネルギーが送られる。それぞれの情報は CTP で統合された上で最終的なレベル 1 の判断が下される。アクセプトの場合は L1A 信号が発行されて TTC を通じて ATLAS の各検出器のフロ
ントエンドに配信される。CTP では粒子の種類毎に多段階の条件を設定可能でトリガー
メニューの最大数は 96 個である。表 2.5 の左に代表的なレベル 1 トリガーメニューをのせた。実際にはそれぞれのメニューに対して条件別にさらに MU0、MU1・・・といったようにメニューが細分化される。図 2.51 にレベル 1 トリガーシステムの全体像を示す。

41

図 2.51 レベル 1 トリガーシステム [7]

レベル 1 トリガー

レベル２トリガー

MU

muon

µ

muon

EM

Electro Magnetic

eelectron

J

JET

γ

photonT

tau/hadron

j

JET

XE

missing energy

τ

tau

xE

missing energy

表 2.5

ATLAS で用いられるトリガーメニューの代表例

2.2.3 レベル 2 トリガー
LVL2 トリガーではイベントレートを 75kHz から 3.5kHz 程度に落とす。MDT、CSC、内部飛跡検出器による精密なトラック情報とカロリメータの高精度情報をレベル 1 の情報に加えて、コンピュータ計算によってより精度の高いトリガー判断を下す。しかし許容されるレイテンシーは 40ms とあまり長くはないので、高速化のために、そのイベントに対42

して特に重要と思われる領域に属する情報のみを持ってきて処理を行う。具体的にはレベル 1 トリガー判定を通過した粒子が検出された領域及びその付近のことであり、これを

ROI(Region Of Interest) と呼ぶ。ROI 情報はレベル 1 トリガーシステムに属する各検出器の情報を統合した上で ROI Buider で決定され、レベル 1 トリガー情報と共に L2SV(LVL2

SuperVisor) に渡される。L2SV は受け取った ROI 及びレベル 1 情報を基に負荷分散アルゴリズムに従って、500 台の PC からなる L2P(Level2 Processor) のうちいくつかをそのイベントのレベル 2 トリガー判定用に割り振る。L2P はレベル 2 ネットワークを介して必要なイベント情報を ROS(ReadOut System) から受け取り、レベル 2 判定を行い、これを通過した場合は L2A(Level2 Accept) 信号を発行する。L2A 信号は L2SV を経由してDFM(Data Flow Manager) に渡される。DFM は負荷分散アルゴリズムに従ってデータを受ける SFI(Sub Farm Input buffer) を割り当てる。SFI は各 ROS から該当イベントの全検出器のデータを受け取り、フォーマットに従ってまとめる。この作業を Event Build(イベント構築) という。構築されたイベントは SFI のバッファーに保持され EF の判断を待つ。
レベル 2 のトリガーメニューも表 2.5 に示した。

2.2.4 EventFilter(レベル 3 トリガー)
EF によって最終段階のトリガー判定を下し、イベントレートは 200Hz まで落とされる。ROI で限定せずに全検出器の全領域の完全な情報を用いてトリガー判定がなされる。

EF は幾つかの独立した EF sub farm から構成されていて、全体で 1600 台程度の PC を含む大規模プロセッサファームである。EF sub farm は、スイッチングネットワークを介して SFI に繋がっている。EF sub farm では EFD(EF Data flow control program) というプログラムが SFI から受け取ったイベントデータを基にトリガー判定を行っている。1 イベン
トの処理にかかる時間は最大 4sec 程度だが、複数の EF sub farm で並列処理を行っているために、全体で 200Hz のトリガーを発行可能である。EF を通過したイベントは、トリ
ガー情報に完全な生データを付加し、SFO(Sub Farm Output buffer) へ送られテープに記録される。図 2.52 にコンピュータファームの写真をのせた。

図 2.52 大規模コンピューターファームの写真 [9]

43

第3章

前後方部レベル 1 ミューオントリ
ガーシステム (TGC システム)
ATLAS のレベル 1 トリガー機能はカロリメータ、TGC、RPC からなり、TGC は前後方部のミューオントリガーを担う。それと同時に r-φ の 2 次元位置情報の測定も行いミュー
オンのトラック再構成の補助的役割も担う。TGC は 1.1 < |η | < 2.5 をカバーし、陽子衝突で発生するミューオンのうち 60% がこの領域に飛来する。この章では、まず TGC シス
テムの根幹となるガス検出器の構造及び ATLAS 実験ホール内での配置を説明する。次にガス検出器の情報を基にどのようなスキームによりイベントを選別し、トリガーを発行するかを述べる。最後に、そのスキームを実現する上で必要となるエレクトロニクスについて個別に解説する。

3.1 検出器の構造と配置
3.1.1 TGC(Thin Gap Chamber) の基本構造
TGC システムに用いられるガス検出器は、LEP の OPAL 実験のハドロンポールチップ
カロリメータにおける位置検出器として 7 年間の安定動作実績を持つ検出器を基に改良されたものである。MWPC(Multi Wire Proportional Chamber) の一種で、平行面をなすカ
ソードストリップ間のガスギャップにアノードワイヤーを張り、ガスで満たす構造である。TGC に要請される性能は以下の通り。

• r 方向、φ 方向の 2 次元読出しが可能である。(トロイダル磁場の不均一性のため)• 少ない物質量で、大面積 (6600mm2 ) をカバーできる。(多重散乱を防ぐため)• 応答時間が速い。(LHC の 40.08MHz の高レートに対応するため)

44

TGC ではワイヤーで r 方向の、ストリップで φ 方向の 2 次元読出しを実現している。
LHC では LEP と比べて衝突頻度が高いこと (LEP : /22.5µ s → LHC : /25ns) を考慮して、
アノードワイヤーの間隔を 2mm から 1.8mm に狭め応答時間を短縮した。また、LHC の
強い放射線環境下 (1kHz/cm2 ) で最低 10 年の安定稼動が可能なことが放射線照射試験によって確認されている。チェンバーモジュールは台形をしており、これを放射状に並べることで ATLAS の円筒の蓋部分にあたる 6600mm2 の領域をカバーする。図 3.1 に構造を、
図 3.4 に写真を示し、以下に特徴を説明する。

• アノードワイヤー
径 50µ m の 金 メ ッ キ タ ン グ ス テ ン ワ イ ヤ ー で 、台 形 の 上 底 下 底 と 平 行 に

1.80±0.10mm 間隔で張られる。4 本〜33 本をまとめて 1 つの読出しチャンネルとし、r 方向の位置を決定する。ワイヤー間隔を短くすれば電子のドリフト距離が減
少し、検出器の応答速度が高まるがワイヤー張力の増加による幾何学的歪みというデメリットもあり、バランスを考えた上で現在の間隔に落ち着いた。図 3.2 にチェ
ンバーの断面図を示す。

• カソードストリップ
ガラスエポキシ板の片面に表面抵抗 1 ± 0.5MΩ/cm2 のカーボンを塗布し、反対の面に幅の細い 30µ 厚の銅板 (ストリップ) をワイヤーと直角をなすように敷き詰めている。カーボン面がガスギャップの内側を向く。1 つのチェンバーの φ 方向を

32 分割しており、1 枚が 1 つの読出しチャンネルとなる。ストリップ幅は 15mm
〜53mm である。ストリップ間のガスギャップは 2.80mm なので、ワイヤーとストリップの最短距離は 1.40mm となりワイヤー間隔よりも短い。これが TGC(ThinGap Chamber) という名前の由来である。薄くした事による利点は以下の通りである。

1. 陽イオンのカソードに達するまでにかかる時間 (≒不感時間) が減少する。
2. 相対的にワイヤー径が太くなることでガスギャップ中の強電場領域が増え、不感領域が減少する。
カーボン面は陽イオンを受けるカソード電極であると同時に、電子雪崩によって生じる紫外線光子からの光電効果を抑え、放電した際の電圧降下を局所に限定するという役割も担う。表面抵抗の大きさは、

1. ストリップの誘起電荷が 1mm2 に収まる。(100kΩ/cm2 以上)
2. カーボン上の電流で実効的な印加電圧低下が起こらない。(10MΩ/cm2 以下)という要求を満たすように最適値が選ばれた。

• ワイヤーサポート45

図 3.3 に示すように、ワイヤーのたるみを防ぐためにワイヤサポートと呼ばれる構造がある。ボタン型のものと棒状のものがあり、棒状のものは約 30cm 間隔でおかれている。またワイヤサポートはワイヤのたるみを防ぐ以外に、ガスの流路の形成する役割と、TGC 自体の歪みを防ぐ役割も担っている。

図 3.1 TGC の構造 [7]図 3.2 TGC の断面図 [7]ストリップによって φ 方向の位置情報を、ワイヤーによって r 方向の位置情報を得る。チェンバー一枚は台形の薄型チェンバーである。

で、放射状に並べることで円盤を形成する。

図 3.3

ワイヤー間隔が 1.80±0.10mm、
ワイヤー-ストリップ間が 1.40±0.07mm

ワイヤーサポートの配置 [7]
図 3.4 TGC の写真 [22]

棒状のものとボタン型ものがある。

46

• ダブレットとトリプレット
チェンバーにはダブレットとトリプレットがあり、1 枚のチェンバーにそれぞれ
ガスギャップが 2 層、3 層ある。ただしトリプレット関してはワイヤーは 3 層とも読み出しを行うが、真ん中の層のカソードは読出しを行わないのでストリップは 2層となる。ガスギャップの間はハニカム構造になっており強度を保っている。断面図を図 3.5 に示す。

図 3.5 TGC のトリプレットチェンバー (左) とダブレットチェンバー (右) の構造 [7]• スタッガリング
1 つのチェンバー内の各層で読出チャンネルの配置をずらしており、この構造をスタッガリングと呼んでいる。具体的には、ワイヤーチャンネルはトリプレットで

1/3 ずつ、ダブレットで 1/2 ずつ、η 空間における位置をずらしている。ストリッ
プチャンネルではトリプレット、ダブレット共に φ 空間で 1/2 ずつずらしている。
この構造により、1 層あたりのグラニュラリティーに対してトリプレットワイヤー
で約 3 倍、その他で約 2 倍に位置分解能を高めている。図 3.6 にワイヤーチャンネ
ルのスタッガリングのイメージ図を示す。

• ガス ( CO2 /n − C5 H12 (55/45) )TGC は CO2 /n − C5 H12 (55/45) の混合ガスを印加電圧 2.8kV〜2.9kV で使用する。
CO2 が電離ガスの役割を、n-pentane がクエンチガスの役割を担う。限定比例領域で動作し、ガスゲインは 3 × 105 程度を見込む。限定比例領域には

1. 構造のゆがみに対する性能変化が少ない.
2. シグナルの形が粒子の入射角度に依存しにくい。
47

図 3.6 TGC のワイヤーチャンネルスタッガリングのイメージ図 [7]η 空間で、トリプレット (左) では 1/3 ずつ、ダブレット (右) では 1/2 ずつチャンネルの配置をずらすことにより、それぞれ 1 層あたりのグラニュラリティーの 3 倍、2 倍の位置分解能を得る。

のようなメリットがある。2. は、具体的には TGC の平面に垂直を 0 度とし、40 度以内の入射粒子に対しほぼ同等のシグナルを形成する。実験では 10 度〜45 度の入射が想定される。

3.1.2 TGC の動作原理
ガスギャップ中を荷電粒子が通過すると、ガス分子を電離し電子と陽イオンが生じる。
この電子を一次電子と呼ぶ。次に電場に従って、一次電子はアノードワイヤー側へ、陽イ
オンはカソードストリップ側へ移動しはじめる。電場の強さがある閾値以上であると、電子は平均自由行程を移動する間に他のガス分子を電離させるだけのエネルギーを得ることができるようになる。そして新たに電離された電子がさらに次のガス分子を電離させていき指数関数的に電子陽イオンペアを生成する。この現象をタウンゼント型電子雪崩と呼ぶ。図 3.7 に示す通り、TGC ではワイヤーに近づくにつれて電場が急速に強くなるため、電子はワイヤーから一定距離以内に近づくと電子雪崩を生じる。生じた電子群はワイ
ヤーに数 ns で速やかに吸収されるが陽イオン群は質量が大きいためしばらくワイヤーの周りに留まりワイヤー表面とコンデンサを形成する。このためアノードの電圧変化は陽イ
オン群の挙動に支配される。陽イオン群がカソードへ吸収されるまでには時間がかかるた
め、パルスの終わりはなだらかなものになるが、基本的にはエレクトロニクスによってパルスの立ち上がりを用いるようにする。荷電粒子の入射から電子雪崩を起こすまでの時間
をドリフト時間と呼び、検出器のパルスの立ち上がり、すなわち応答速度を左右する。また、陽イオン群がカソードに達するまでの時間は検出器の不感時間を左右する。 TGC で48

は、電子雪崩によって 1 つの電子が 3 × 105 の電子陽イオンペアを作り、一次電子と共に最初に生じた陽イオンの信号への影響は無視できる。図 3.8 に電子雪崩のイメージ図をの
せる。

図 3.7

TGC 内の電場 [32]左図は電気力線、右図は等電位線である。ワイヤーに近づくにつれ急速に電場が強まる。

図 3.8

電子雪崩のイメージ図 [7]青が電子、赤が陽イオンを表す。(i) 荷電粒子によりガス分子が電離され電子と陽イオンができる。(ii) 電場によってそれぞれ移動し、ワイヤー近傍において電子が電子雪崩を起こす。(iii) ワイヤーのまわりを電子雲が囲み、さらにその周りを陽イオン群が囲む。(iv) 電子はワイヤーに吸収され、陽イオン群はゆっくりと拡散してカソード側へ移動する。

49

3.1.3 TGC の応答時間
LHC では 40.08MHz(25ns 間隔) でバンチ衝突が生じるが、バンチを識別して正しくトリガーを発行するためには、1 衝突に対する信号の分布が 25ns 以内に収まる必要がある。
図 3.9 に、粒子が TGC を通過してから信号発生までの時間分布を示す。実験での入射角
度は 10 度〜45 度と想定されており、その領域で 25ns 以内に収まっていることがわかる。

図 3.9 TGC のパルス発生までの時間分布 [7]左上から、0 度、5 度、10 度、15 度、30 度、45 度の入射粒子に対するパルス発生までの時間の分布を示す。入射粒子は 3GeV のπ中間子を用いた。TGC の面に垂直に入射するものを 0 度としている。

50

3.1.4 ATLAS における TGC の配置
ATLAS 検出器内における TGC の配置について説明する。はじめに図 3.10 に TGC のATLAS 内における概観を、図 3.12 に rz 平面内での配置を示す。TGC は 1.05 < |η | < 2.70をカバーする円盤として ATLAS の A と C の両サイドに配置される。内側からインナー、

TGC1、TGC2、TGC3 の 4 つからなり、TGC1,2,3 は、MDT と共にビッグウィールと呼ばれる直径約 25m の巨大な円盤状の検出器群を構成する。図 3.11 にビッグウィールを外側から見た写真をのせる。インナーは EI/FI とも呼ばれ、FI 部分はスモールウィールと呼ばれる小円盤を構成する。

図 3.10ATLAS におけるミューオンスペ
クトロメータの配置 [4]3.1.4.1

図 3.11 TGC ビッグウィールの写真 [24]ビッグウィール• TGC1、TGC2、TGC3内側から TGC1、TGC2、TGC3 の順に並び、TGC1 と TGC2 の間に MDT のEM(Endcap Middle) が入る。TGC1 はトリプレットチェンバー、TGC2 と TGC3はダブレットチェンバーからなり、合わせて 7 層のワイヤー、6 層のストリップ面を持つ。TGC3 はピボットプレーンとも呼ばれる。

• フォワード、エンドキャップの区別
円盤の |η | = 1.92 より内側をフォワード、外側をエンドキャップと区別しており、φ 方向に関して、フォワードは 24 分割 (0.26rad/chamber)、エンドキャップは48 分割 (0.13rad/chamber) している。図 3.13 に rφ 平面で見た TGC1 の全体像を示す。

51

図 3.13 A サイドビッグウィール TGC1(rφ平面)
図 3.12 TGC 全体の配置 (rz 平面)[7]

TGC の円盤を φ 方向に 12 分割したものを 1/12 セク

TGC は内側からインナー、TGC1、TGC2、TGC3 の 4 ターと呼ぶ。黄色い部分が 1 つのセクターであり、組つからなる。TGC1、2、3 はビッグウィールと呼ばれる立や検査、データ処理等はこの単位で行われる。

大きな円盤状の検出器群に含まれる。

• 1/12 セクター
TGC のビッグウィールは通常 φ 方向に 12 分割したセクターと呼ばれる単位で扱われる。ATLAS の幾何学は 8 回対称なため、設計当初はオクタントと呼ばれる

8 分割単位で扱われていたが歴史的な理由から現在は 1/12 セクターが基本となる。
図 3.14 に TGC1,2,3、それぞれの 1/12 セクターの構成を示す。各セクターは φ 方
向に、フォワードは 2 等分、エンドキャップは 4 等分され、それぞれ φ 0,φ 2、及び

φ 0〜φ 3 と番号付けされる。これらはトリガーデータを処理する際の 1 つの単位になっていてトリガーセクターと呼ばれる。トリガーセクターはそれぞれさらにサブセクターという単位にわけられている。一つのサブセクターはワイヤー端を除いてワイヤー、ストリップ共に 8 チャンネルずつからなっており、トリガーデータ処理の際の最小単位となる。TGC の発行する ROI 情報はこのサブセクター単位である。付録 A.4 に ROI 番号表を示す。図 3.16 にトリガーセクターの概念を示す。エンドキャップのトリガーセクターは TGC1 では 4 つ、TGC2,3 では 5 つのチェン
バーからなっていて、図 3.12、図 3.13、図 3.14 にも書かれているように、大きさの異なる T1〜T9 という 9 種類のチェンバーが用いられている。フォワードのトリ
ガーセクターは一つのチェンバーからなる。

52

図 3.15 EI/FI(rφ 平面)[33]
インナーは φ 方向に 8 分割したオクタントの単位 (図の黄色部分) で扱われることが多い。片サイドで、FI が

図 3.14 ビッグウィール 1/12 セクター [33]
24 枚、EI が 21 枚のチェンバーからなり、EI は図の通TGC は円盤の内側と外側でフォワード、エンドキャッ り飛び飛びになっている。さらに EI の一部と FI の 3プと区別される。1 つのセクターはフォワードが 2

枚に 1 枚は少しだけ r 方向に短いチェンバー

チェンバーからなり、φ 0、φ 2 と呼ばれる。エンド(T11S,T10S) が用いられる。これはバレルトロイド磁石

キャップは 4 分割され φ 0〜φ 3 と呼ばれる。さらにエ のスペースを確保するためである。F,B は F タイプ、B
ンドキャップは r 方向に、TGC1 が 4 分割、TGC2,3 がタイプを表す。

5 分割されている。

図 3.16

トリガーセクター及びサブセクター [6]1/12 セクターはエンドキャップが 4 つ、フォワードが 2 つのトリガーセクターにわかれる。ワイヤー端以外のサブセクターにはワイヤー、ストリップが 8 チャンネルずつ属する。

53

3.1.4.2

インナー (EI/FI)

インナーでもフォワードインナー (FI) とエンドキャップインナー (EI) の区別はあるがこれは r 方向に 2 チェンバーあるうちの外側と内側を区別する呼び名に過ぎず、共に|η | < 1.92 のエンドキャップ領域に位置する。図 3.15 に EI/FI の構成を示す。EI には
T11 という大きさのチェンバーが用いられるが、図の通り φ 方向に隙間があり、さらに一部には r 方向にワイヤー 8 チャンネル分だけ短い T11S が使われる。FI には T10 が用いられ、隙間なく円盤状になっているが、3 枚に 1 枚は r 方向に 2 チャンネル分短い T10Sが用いられる。これらは 8 回対称のバレルトロイド磁石を設置するスペースを確保するためである。EI/FI はオクタントの単位で扱われることが多い。

3.1.4.3

フォワードチェンバーとバックワードチェンバー

チェンバーの種類は大きくわけてトリプレットとダブレットがあり、さらに大きさの異なる T1〜T11(S) に分けられる。しかし、全てのチェンバーはさらにフォワードチェン
バー (F タイプ)、バックワードチェンバー (B タイプ) の区別を持つ。これらはチェンバーの基幹部分の構造は全く同一で、ワイヤーチャンネルの読出し口の位置のみが異なる。この区別が作られた理由は、チェンバーを円盤状に並べた時に、ケーブリングの都合によりワイヤー読出し口をできるだけ近い場所に集中させたいからであった。図 3.17 に示す通り、ワイヤー読出し口は台形のチェンバーの斜辺部分にあるが、F タイプと B タイプではその左右のみが異なる。エンドキャップでは F、B を交互に並べることで隣り合う 2 つのチェンバーのワイヤー読出し口が一箇所に集中する。図 3.19 にビッグウィール、図 3.20に EI/FI の、F、B の配置を示す。A サイドと C サイドの対応する位置で F と B が全て逆になっているのは ATLAS 検出器が z=0 の xy 平面に対して鏡像対称となるように設計されているためである。ただし図 3.18 に示す通り、ストリップのスタッガリングに関しては F タイプと B タイプで共通のため、この鏡像対称性を破ることになる。スタッガリン
グが反対のチェンバーを導入すれば対称にできるが、チェンバーの種別をさらに 2 倍に増やすことなり、コストの面から断念された。ワイヤーは鏡像対称性が保たれている。

3.1.4.4

チェンバー境界のオーバーラップ

隣合うチェンバー同士を少しずつオーバーラップさせることでチェンバー境界の不感領域を排除している。その領域でのデータの扱いは r 方向と φ 方向で少々異なる。

• r 方向に隣り合うチェンバー間のデータの取り扱い
ワイヤーでは隣り合うチェンバーのオーバーラップ部分のチャンネルに対して

OR をとり、一つのトリガーセクターを単一のチェンバーのように扱う。ストリッ
プは TGC3 では OR をとっていないが、TGC1 と TGC2 では同じ φ 座標に位置す

54

図 3.18 F タイプと B タイプにおけるスト
リップチャンネルのスタッガリング (TGC3

図 3.17 F タイプと B タイプの違い (TGC3

の例)

の例)
衝突点から見て右側にワイヤー読出し口があるのが F

左図で言えば真上からチェンバーを見た図。どちらのタ
イプもチェンバーの中身は共通なのでスタッガリングもタイプ、左側にあるのが B タイプ。

等しい。このため A サイドと C サイドで F タイプとB タイプを向かい合わせた場合にストリップのスタッガ
リングが鏡像対称とならない。

図 3.19 ビッグウィールの F タイプ、B タ

図 3.20 EI/FI の F タイプ、B タイプの配イプの配置 (1/12 セクター単位)

置 (オクタント単位)

るチャンネル間で OR をとっている。

• φ 方向に隣り合うチェンバー間のデータの取り扱い

φ 方向に隣り合うチェンバーは異なるトリガーセクターに属するのでワイヤーもス
トリップも OR をとっていない。同一粒子によるヒットのダブルカウントを防ぐために、図 3.21 のように、TGC3 の φ 端のオーバーラップ領域のストリップチャン
ネルをマスクしている。

55

図 3.21 φ 方向に隣り合うチェンバー間のストリップマスク [16]四角 1 つがストリップチャンネルを表す。黒くなっているのがマスクされるチャンネル。

3.2 TGC におけるミューオントリガーのスキーム
TGC ではワイヤー 7 層、ストリップ 6 層におけるヒット情報を段階を踏んでコインシ
デンス処理することでミューオンの横運動量 (pT ) を決定し、トリガーを発行する。ワイヤー情報とストリップ情報は、TGC システムにおけるトリガー発行の最終判断を下すモジュールであるセクターロジックに達するまでは別々に処理される。以下で、 TGC においてどのように pT を決定しているか、そのロジックを示す。
まず、図 3.22 に pT 決定の概念図を示す。

図 3.22 TGC における pT 決定の概念図 [18]56

pT は次の手順で求められる。
1. TGC1 上のヒット位置と衝突点を直線で結んだトラック (Infinite pT Line) を考える。これは無限大の運動量を持った粒子が磁場による影響を全く受けずに直進した
場合のトラックに相当する。

2. TGC2 上の実際のヒット位置と、1. で求めた直線が TGC2 を通過する位置との差分を求める。ワイヤーとストリップで独立に処理を行い、この差分を δ r,δ φ と呼ぶ。
衝突点、TGC2、TGC3 の 3 点を用いたサジッタ測定により pT を決定することにな
るが、レベル 1 トリガーには 2.5µ s 以内のトリガー発行という強い時間的制限があるためコンピュータで計算を行う時間はなく、エレクトロニクスによる pT の高低の判断を行う。具体的には、 pT が高いほど δ r,δ φ は小さくなるため、それぞれの絶対値に上限値を儲け、それを下回るもののみを通過させるようにコインシデンス
マトリックスを組む。δ r-δ φ 空間でそれぞれの上限を下回る領域はちょうど四角い窓の形になるためコインシデンスウィンドウと呼ばれている。TGC3 と TGC2 は距離が近く、高い pT になると区別がつかなくるため、この段階では pT が約 6GeV
より高いか低いかの判断をし、閾値を超えたものは LPT(Low pT ) トリガーと呼ばれ、次の処理に進む。

3. 次に、全ての LPT に対して、衝突点、TGC3、TGC1 上のヒットを用いたサジッタ
測定を行う。TGC3 と TGC1 は距離が離れていて高い pT においても判別が可能なため、閾値を約 20GeV とする。同様に δ r,δ φ を求め、コインシデンスマトリッ
クスによる判別が行われる。閾値を超えたものは HPT(High pT ) トリガーと呼ばれる。

4. LPT 及び、HPT 情報はセクターロジックに送られ、6 段階の閾値による pT 判別が行われる。ここで初めてワイヤーとストリップの情報が統合され、δ r,δ φ の組合
せからより正確な pT を判断する。そのために、シミュレーションを用いて pT による δ r,δ φ の分布を調べ、各閾値に対するコインシデンスウィンドウを作成する。
これまでの段階と違いウィンドウは四角ではない複雑な形となり、ジオメトリーの影響から同じ閾値でも各トリガーサブセクター毎に形が異なる。ウィンドウに基づき、全ての δ r,δ φ の組み合わせに対して、どの pT 閾値を超えるかをテーブル化
し、これを参照して pT を判別している。このテーブルを LUT(Look Up Table) と呼ぶ。参照する LUT を変えることで、6 段階の閾値は如何様にも変えることができる。セクターロジックは 2 トリガーセクター毎に 1 つあり、1 つのセクターロ
ジックが各閾値毎に最大 2 つのデータを MUCTPI に送る。このデータを SL トリ
ガーと呼ぶ。HPT トリガーが 1 つ以下の場合は LPT トリガーが SL トリガーとして送られる。ウィンドウは閾値を超える部分でのトリガー効率が 90% を超えるように設定され、閾値におけるカーブが急激なほどいいウィンドウと言える。

57

3.3 TGC システムのデータ読出し系
TGC 検出器から出た信号は、TGC エレクトロニクスシステムで処理され、最終的にセクターロジックで TGC システムとしてのレベル 1 トリガーの発行を決定する。エレクト
ロニクスシステムには

1. 40MHz の高クロックに同期した動作が可能であること。
2. トリガーの発行＋各種検出器へのトリガー配信にかかる時間が 2.5µ s 以下であること。

3. ATLAS 実験ホールの強い放射線環境下で 10 年以上安定動作可能な高い耐放射線性を持つこと。
という条件が課される。この条件を満たすために一部のモジュールでは既製品ではなく、ASIC と呼ばれる専用に開発した集積回路を用いている。以下ではエレクトロニクスシス
テムを構成する各モジュールの実験ホール内における配置および機能について述べる。

3.3.1 TGC エレクトロニクスシステムの構成
TGC エレクトロニクスシステムは次の 3 つに大別される。
トリガー系 25nsec 毎に流れるトリガー判定の為のデータを扱う。
リードアウト系

L1A が来ると読み出される TGC 各層でのヒット位置情報を扱う。

コントロール系

TGC の各モジュールをコントロールするための情報を扱う。

システムの全体像を図 3.23 に示す。赤線、青線、緑線はそれぞれトリガー系、リード
アウト系、コントロール系を表す。
ビッグウィールでミューオンが検出されると、それらの信号は ASD(Amplifier Shaper

Discriminator) で増幅、デジタル化され、PSB(Patch panel Slave board asic Board) 上にある PP(Patch Panel ASIC) へと送られる。PP ではチェンバー毎のケーブルディレイ差分などを調整し、データを、同じく PSB 上にある SLB(Slave Board ASIC) へと送る。SLB ではまずトリガー処理がなされ、そのトリガーはワイヤならワイヤー HPT(Wire High pTBoard) へ、ストリップならストリップ HPT(Strip HighpT Board) へ送られる。トリガーを処理している間、データは SLB 中のレベル 1 バッファに溜められる。トリガー情報
は HPT においてｒ方向と φ 方向についてそれぞれコインシデンスが取られ、SL(Sector

Logic) へと送られる。SL で r 方向と φ 方向の情報が合わさり、MUCTPI へ送られる。そしてそのトリガー情報を元に L1A 信号が発行されると、TTC を通して SLB にも L1A が送られ、L1A を受け取った SLB はレベル 1 バッファに溜めてあったデータをデランダマ

58

図 3.23 TGC エレクトロニクスシステムの構成 [16]イザを通じて SSW(Star Switch) へと送る。SSW ではデータの圧縮などを行い、そのデー
タが ROD(Readout Driver) を通り ROB(ReadOut Buffer) へと送られる。そしてこれらのシステムのコントロールは HSC(High pT Star Switch Controller Board) や CCI(Control

Configuration Interface Board) といったモジュールを通して行われる。トリガー、リード
アウト、コントロール系についてそれぞれ以下で説明を加える。

3.3.1.1

トリガー系

トリガー系では図 3.24、図 3.25 に示すように、ASD, PP、SLB、HPT、SL の順に信号が処理される。TGC 検出器から出力されるアナログ信号は、検出器の読出し口に付けられた

ASD によって、増幅、整形、デジタル化され、LVDS(Low Voltage Differential Signaling)
信号の形式で PP へと送られる。PP では、検出器上の各チャンネルへ粒子が到達するまでの飛行時間である TOF(Time of Flight) 差や、ケーブル長の差などから生じるタイミングのずれを調整し、バンチ識別を行う。SLB は PP からの信号を受け取り、TGC3 と TGC2のダブレット合計 4 層の信号に対して 3/4(3 out of 4) コインシデンス処理が行われ、LPT
トリガーの判定が行われる。またトリプレットの信号についても、まずはトリプレット独立でワイヤーが 2/3、ストリップが 1/2 のコインシデンス処理が行われる。HPT では SLB
によるダブレットとトリプレットのコインシデンス処理の結果を合わせて、コインシデ
ンス処理を行い HPT トリガー判定がなされる。次に SL で、ワイヤとストリップを合わせたコインシデンス処理を行い、TGC の最終的なトリガー情報として、 pT の大きい最大

2 つのトリガーデータを 1/12 セクター毎に選び出す。SL の結果は、MUCTPI に送られ、59

RPC の情報と合わせて、ミューオンの最終的なトリガー判定が下される。

図 3.24 トリガーラインのモジュール構成 [16]図 3.25 コインシデンス処理によるトリガー判定 [16]3.3.1.2

リードアウト系

リードアウト系の流れを図 3.26、図 3.27 に示す。PP から送られてきたデータは、SLB中にあるレベル 1 バッファに蓄えられ、最大 128clk(3.2µ s) の間 L1A 信号を待つ。L1A
信号を受けたデータのみがデランダマイザを通じて、次段の SSW へと送られる。SSW
はマルチプレクサーの役割を担っていて、複数の SLB からのデータを収集し、ゼロサプ
レスという方法で圧縮を行った上で、G-link 規格の光信号でエレキハットの ROD まで送る。このとき、SLB によるコインシデンス処理の結果で表すトリガー情報も生データと共に SSW、ROD へと送られる。ROD は複数の SSW からの情報を収集し、それらのデー
タと TTC から送られてくるバンチ ID やトリガー ID の情報との整合性を確認した上でROB にデータを渡す。
60

図 3.26 リードアウトラインのモジュール構成 [16]図 3.273.3.1.3

リードアウトデータの流れ [16]コントロール系

ATLAS 実験では各検出器の制御と監視を統一的な方法で行うために DCS(Detector
Control System) が導入されている。TGC の場合は、ADC(Analog-Digital Converter)、DAC(Digital-Analog Converter)、eLMB(embedded Local Monitor Box) などを搭載した
DCS カードが、実験ホール内のフロントエンドにある PSB 上に配置される。HPT や

61

SSW が搭載される VME *1 規格の HSC クレートは実験ホール外の CCI から HSC を介してコントロールされ、PSB 上の PP/SLB の設定は SSW を通して行う。また TGC では、

DCS は温度状態管理や供給電源の監視に加えて、通常 SSW から行われる PP/SLB の設定を eLMB から行うことが可能で、バックアップの設定経路となる。また、PSB 上には

JTAG *2 プロトコルの PP/SLB への経路選択を行うために JRC(JTAG Routing Controller)が設置される。図 3.28 にコントロール系のイメージ図を示す。

図 3.28 コントロール系の信号の流れ [16]3.3.2 TGC エレクトロニクスの設置
TGC エレクトロニクスの設置場所は以下の 3 箇所に大別される。図 3.23 の背景の色は設置場所を示している。

1. 実験ホール内の検出器上 (図のピンク)
ASD はチェンバーの読出し口に直付けされている。複数の PSB をまとめたものである PS Pack はチェンバーの面上に図 3.29 の様に設置され PP 及び SLB はこの

PSB 上に載っている ASIC である。トリプレットは衝突点側の面上に、ダブレット
は TGC3 の衝突点と反対側の面上に設置される。

2. ビッグウィールの端 (図の水色)
ビッグウィールの外縁には、HSC 、HPT、SSW が搭載された、HSC クレートが*1 VME とは、Versa Module Europe の略で、IEEE で規格化された産業用の標準バスである。96 ピン DIN

コネクタを実装した 32 ビットバスで最大通信速度は 50MB/sec であり、高エネルギー物理の分野でも一般的に用いられている。
*2 IC の検査方式の一種で、チップ内部にプローブテストと同様の挙動を行なう JTAG ボードと呼ばれる端子およびレジスタを構成し、外部からテストコードを入力してそれに対する IC の挙動を調査する方法。
また、JTAG に対応した回路と TAP(Test Access Port) と呼ばれる 5 本の端子からなるインターフェイスを持たせ、テストデータの入出力や制御に用いることができる。

62

設置される。HSC クレートは 1/12 セクターにつき 1 台設置される。

3. カウンティングルーム (図の緑色)
USA15 と呼ばれるカウンティングルームに VME64x クレートが置かれ、CCI、SL、ROD が搭載される。
初めの 2 箇所は UX15 と呼ばれる実験ホール内にあたるため、ここに設置されるモジ
ュールは強い放射線耐性を要求される。そのため放射線耐性がある Antifuse FPGA(Field

Programmable Gate Array) といった IC が用いられる。カウンティングルームは実験ホールからコンクリート壁を隔て 90〜100m 離れているため、放射線耐性は要求されない。距離の離れた UX15 と USA15 間での信号送信は基本的に光信号が用いられる。図 3.31 と図 3.30 に各モジュールの設置場所のイメージ図を示す。

図 3.30 モジュールの配置 [16]図 3.29 ビッグウィール上に設置される PS

Pack[16]

図 3.31

実験ホール (UX15) とカウンティングルーム (USA15) の位置関係 [16]

ROD と SL は USA15 の中でも検出器に最も近い壁を隔てたすぐのところにあるラックに設置される。これはトリガーに関与する検出器の信号の伝搬遅延を出来るだけ小さくするためである。

63

3.3.3 モジュールとエレクトロニクスの詳細
3.3.3.1 ASD (ASD Board)
ASD はチェンバーの読出し口に直に取り付けられる。1 つのモジュールには ASD
ASIC が 4 つ搭載され、ASIC1 つで 4 チャンネル分の信号処理が出来るため、1 モジュールで 16 チャンネル分の処理を行う。ASD ASIC は、チェンバーからのアナログ信号を増幅、整形し、ある閾値電圧を越えた信号に対してのみ LVDS 信号を出力する。また、ASD
以降のエレクトロニクスの動作チェックやタイミング調整のため、テストパルストリガーを受け、擬似的な TGC の出力信号 (テストパルス) を出力する機能も持っている。ASDは、後述する PP ASIC が設置される PSB とツイストケーブルで接続され、動作電源、閾
値電圧、テストパルストリガーは全て PSB から供給される。また、ASD には 16 チャン
ネル目のアナログ信号をモニタするためのアナログ出力もついている。図 3.32、図 3.33に ASD ボードの写真と ASD ASIC のブロック図を載せる。

図 3.32 ASD ボードの写真 [16]図 3.33 ASD ASIC のブロック図 [16]3.3.3.2 PSB(Patch panel Slave board asic Board)
PSB 上には図 3.34 に示すように、PP ASIC、SLB ASIC、JRC、eLMB が搭載される。
PSB では、ASD からの LVDS 信号を PP で受け、タイミング調節とバンチ識別を行い、TGC のオーバーラップ領域でのダブルカウントを防ぐための OR 論理回路を通して、SLBへ送られる。SLB でデータはトリガー系と読み出し系に分かれ、トリガーデータは HPT
へ、読み出し用データは SSW へと、それぞれシリアライズされて LVDS 信号で送られる。また SSW あるいは eLMB から送られてくる PP/SLB を制御するための JTAG 信号
は、JRC により PSB に設置される各 ASIC に分配される。さらに PSB は、ASD に電源電
圧と閾値電圧を供給する役割も果たす。PSB は後述する SPP(Service Patch Panel) を通して、TTC(Timing Trigger Control) によって供給される LHC グローバルの 40.08MHz のク64ロックや、各種リセット信号、テストパルストリガー信号等を受け取る。図 3.35 に PSBの写真を示す。

図 3.34 PSB のブロック図 [16]図 3.35 PSB の写真 [16]3.3.3.3 PP (Patch Panel ASIC)
ASD から送られてくる信号は、TOF 差やケーブル長差などで到達時間にずれが生じる。そこで、PP でタイミング調整とバンチ識別を行う。具体的には、ASD からの LVDS
信号を LVDS レシーバーにより CMOS レベルの信号に変換する。次に可変ディレイ回路
で、各チャンネルにそれぞれ 0〜25ns の範囲でディレイをかけることによりタイミングの調整を行う。このディレイは 25/31ns 単位で調節可能であり、ファインディレイと呼ばれる。タイミング調整された信号は BCID(バンチクロッシング ID) 回路に入り、TTC
から供給される LHC クロックと同期が取ることでバンチ識別が行われる。最後に TGCのオーバーラップ部分のダブルカウントを防ぐため OR 論理回路を通し、同じ PSB 上のSLB に送られる。また PP は、ASD に向けてテストパルス発生の命令を下すテストパル
ストリガーを発行する回路も搭載している。テストパルスの振幅、タイミングは可変であり、JTAG プロトコルによって制御される。PP は一つの ASIC で 32 チャンネルを処理できる。図 3.36 に PP ASIC のブロック図を示す。

3.3.3.4 SLB ASICSLB ASIC はトリガー部とリードアウト部にわけられる。SLB ASIC のブロック図を図3.37 に載せる。以下、それぞれ分けて説明する。
■トリガー部
担当する検出器に応じて (ワイヤー or ストリップ)×(ダブレット or トリプレット) に加えて EI/FI 用の 5 種類のコインシデンスマトリックスを切替えて使用する。図 3.38 にマ
トリックスのブロック図を示す。コインシデンスウィンドウは、ワイヤが ±7、ストリッ

65

図 3.36 PP のブロック図 [16]プが ±3 であるが、ただし単位は TGC 一層における読出しチャンネルではなくて、ス
タッガリングを考慮したグラニュラリティに相当する 1/2 または 1/3 チャンネルである。
トリプレット、ダブレットにはそれぞれ 2/3(ストリップは 1/2)、3/4 のコインシデンス条件が課される。また PP からの信号に 1/2 クロック単位でディレイをかける機能、チャン
ネル単位でマスクする機能、SLB 以降のエレクトロニクスの動作チェックやタイミング調整を行うためのテストパルスを出力する機能なども搭載されている。連続したチャンネ
ルにヒットがあった際には、その中の 1 チャンネルを選択してトリガー判断に用いるようになっておりデクラスタリングと呼ぶ。デクラスタリングの概念を図 3.39 に示す。設定は JTAG 信号で行われる。
■リードアウト部
リードアウト部は、レベル 1 トリガーの判定を受けたデータの読み出しを行う部分である。レベル 1 バッファとデランダマイザにより構成される。チェンバーからのデー
タは、コインシデンス処理後のトリガーデータを含めてレベル 1 バッファと呼ばれる、

212bit×128 段のシフトレジスタに一旦蓄えられる。212bit の内訳はチェンバーからの入力データ 160bit、トリガーデータ 40bit、バンチ ID や L1AID 等のタグが 12bit となっている。このデータは CTP からの L1A を受け取るまで保持され、L1A を受け取ると該当するバンチのデータとその前後 1 バンチずつの、計 3 バンチ分のデータにそれぞれ、イベ
ントカウンタの値 (4bit) が付加されデランダマイザにコピーされる。デランダマイザにコピーされた 3 バンチ分のデータは別々にシリアル変換し SSW に送られる。

66

図 3.37 SLB のブロック図 [16]3.3.3.5 JRC(JTAG Routing Controler)
JRC は 2 系統の入力ポートと 7 系統の出力ポート、それらをコントロールするための2 系統の JTAG ポートを持つスイッチングルータである。それぞれのラインは、TRST、
TCK、TMS、TDI、TDO の 5 つの信号から成る。2 系統の入力ポートは SSW と eLMB からのもので、図 3.40 のように CA JTAG(または CB JTAG) が JRC 内のスイッチをコントロールすることで、Q1〜Q7 のポートのうち 1 つを選択して DA JTAG(または DB JTAG)の信号をそのまま出力する。JRC は、PP/SLB にアクセスするためのインターフェイスであり、PP/SLB の設定は JRC を中継して行われる。7 系統の出力ポートは、4 つが PP へのもので、3 つが SLB へのものである。JRC は Antifuse FPGA が使われている。

3.3.3.6 TGC DCS (TGC Detector Control System)TGC DCS ボ ー ド は eLMB と 呼 ば れ る サ ブ モ ジ ュ ー ル を 使 用 し 、ADC(AnalogDigitalConverter) や DAC(Digital-Analog Converter) が搭載され、センサーからの信号を

67

図 3.38

ダブレットワイヤーのコインシデンスマトリックス [16]デジタル化してモニタし、制御用のアナログ信号を作り出せる。具体的には、温度モニタ、エレクトロニクスの電圧、電流モニタ、チェンバー位置モニタ、TGC のアノードワ
イヤーに印加する HV(High Voltage) 電源電圧のモニタとコントロール、ASD の閾値電圧の設定などを行う。eLMB は CAN バスを*3 通じてデータの読み書きが行われる。

3.3.3.7 SPP (Service Patch Panel Board)
SPP には TTC の信号を受信する機能を持つ TTCrx(Timing Trigger Control レシーバー)が載せられ、TTC から LHC クロック、L1A、BCR(Bunch Counter Reset)、ECR(Event

Counter Reset)、テストパルストリガー等の信号を受け取り、それらの信号を 10 又は 17
枚の PSB に分配する。SPP には、TTCrx の設定を行うために I2C プロトコルを受信する

CAT6(Categoly 6) ケーブルのポートが搭載されている。また、HPT クレートへクロックとリセットを供給する CAT5 ケーブルのポートが搭載されている。図 3.42 に SPP の写真を載せる。

3.3.3.8 PS Pack
PSB と SPP は、図 3.43 に示すような PS Pack にまとめられ、TGC1 の衝突点側の面、及び TGC3 の衝突点の反対側の面に設置される。PS Pack は 1/12 セクター毎に 2 つ設置され、1 つの SPP と複数の PSB(トリプレットは 10 枚、ダブレットは 17 枚) から構成される。

*3 CAN(Controller Area Network) はマルチマスターのシリアルバスシステムで、アドレスの概念がなく、送信側は識別子を付けてメッセージを配信し、受信側はその識別子を見てメッセージを受信するかを決める
プロトコル。

68

図 3.39 デクラスタリングのイメージ [16]3.3.3.9 HPT (High pT Board)
HPT はダブレットとトリプレットの情報を用いて HPT トリガー情報を生成する。HPT
はまず、PSB から送られてきたシリアライズされたデータの LVDS 信号をパラレルに変換する。HPT では、SLB まで独立に処理されてきたダブレットとトリプレットのデータを統合して HPT トリガー情報を生成する。トリプレットはダブレットよりも衝突点に近く、しかもダブレット同士の間隔よりも離れた位置に設置されているため、トリプレッ
トを用いることによりトロイダルマグネットによってあまり曲げられることがなかった
高 pT を持つミューオンを選別できる。HPT ではワイヤとストリップは独立に処理が行われ、δ r,δ φ を求め、SL に出力する。図 3.44 にワイヤー、図 3.45 にストリップのブロック図を載せる。出力データはシリアライズされ、オプティカル信号に変換されて、光ファ
イバーで実験室ホールから 90〜100m 離れたカウンティングルーム (USA15) に設置される SL に送信される。HPT はエンドキャップ領域用のワイヤーとストリップ用、フォワー
ド領域用の計 3 種類作られる。1 枚のボード上には、フォワード領域用には 3 つ、エンドキャップ領域用には 4 つの HPT ASIC が搭載される。図 3.46 に HPT ボードの写真を示す。

69

図 3.40 JRC によるルートのスイッチングのイメージ [16]図 3.41

DCS の写真 [16]3.3.3.10 SL (Sector Logic)
SL は TGC システムのトリガーデータが最終的に集められるモジュールであり、1 つのモジュールでトリガーセクター 2 つ分の信号を処理する。SL は主に、r-φ コインシデン
ス、プレトラックセレクター、ファイナルトラックセレクターから構成される。まず SL
は、HPT から送られてきたシリアライズされたオプティカル信号を受け取り、電気信号に変換し、さらにパラレル変換をする。そして、HPT まで独立に処理されていた r 方向

(ワイヤー) と φ 方向 (ストリップ) の HPT からのデータを合わせ、両者のコインシデンス(r-φ コインシデンス) を取ることにより、ミューオンのトラックを構築する。それらのトラックを、SSC(Sub-Sector Cluster:R 方向に 2 つ、φ 方向に 4 つのサブセクターのあつまり) ごとに 6 段階の pT 閾値によって分類する。閾値は興味のある物理により実験中に自70

図 3.43 PSPack の写真 [16]図 3.42 SPP の写真 [16]図 3.44 ワイヤー HPT のブロック図 [16]図 3.45 ストリップ HPT のブロック図 [16]

由に変更出来ることが要求されるため、書き換え可能な LUT(Look Up Table) によって実装される。プレトラックセレクターは、6 段階の pT 判定のそれぞれに用意され、 pT の大
きい順に 2 つを選択して、計 12 トラックがファイナルトラックセレクターに送られる。
ファイナルトラックセレクターでは、プレトラックセレクターから送られた 1 トリガーセ
クター分のトラックから pT の大きいものを 2 つ選択して、6 段階の pT 判定と位置情報
を MUCTPI に送る。このロジックは FPGA に書き込まれる。SL が処理に使用した HPT
からのデータと SL での処理の結果は、SL に搭載された SLB(SLSLB) から USA15 に設71置された SSW に送られる。SL には各セクタに対して一つずつ SLSLB が搭載され、JRCも搭載される。図 3.47 に SL の写真、図 3.48 にブロック図をのせる。

図 3.47 SL ボードの写真 [16]図 3.46

HPT ボードの写真 [16]図 3.48 SL のブロック図 [16]72

3.3.3.11 SSW (Star Switch)
SSW の主な役割は、複数の SLB から送られてくるリードアウトデータを圧縮し、RODにデータを送る前にデータ量を減らして、効率よい読み出しができるようにすることである。具体的なデータ圧縮は、データをセルと呼ばれる 8bit ごとの塊に分け、各セルにアドレスを付加し、値が全てゼロでないセル情報だけをアドレスと共に送る。TGC の全チャ
ンネルのうちヒット信号を発生するのはごく一部なので、これによりデータを減らすことが出来る。1 つの SSW で最大 23 個の SLB のデータを受ける。SSW はまず、SLB からの LVDS レベルのシリアライズされたデータを受け取り、それをパラレルのデータに変換する。そのデータは SSWrx(レシーバー) に送られ、データの圧縮が行われる。その後
データは、SSWtx(トランスミッター) に送られ、フォーマットされる。フォーマットされたデータはシリアライズされ、オプティカル信号に変換されて 90〜100m 離れた USA15にある ROD に送られる。また SSW は、PSB 上の PP、SLB に JTAG プロトコルによってレジスタ設定と、I2C による SPP 上の TTCrx の設定も行う。図 3.49 に SSW の写真を載せる。

3.3.3.12 ROD (Read Out Driver)
ROD は TGC エレクトロニクスシステムの中でリードアウトのデータが最終的に集まるモジュールである。ROD は複数の SSW からシリアライズされた圧縮データを光ファ
イバーを通して受け取り、オプティカル信号を電気信号に変換した後、パラレル変換し、FIFO メモリーに一時格納する。このデータを、トリガー情報を元に同じイベントごとにまとめ、決められたフォーマットに従い、ヘッダー、トレーラーをつける。まとめられたデータは S-link という、フロントエンドとリードアウトのエレクトロニクスを繋ぐために CERN で開発された光信号の規格によって ROB に送信される。イベントの同定やヘッ
ダー、トレーラーをつけるためには TTC からのトリガー情報が必要となるため、ROD には TTCrx が載せられたメザニンボードが搭載され、これにより TTC からの信号を受け取ることができるようになっている。ROD は 100kHz でこれらの処理ができるように求められている。図 3.50 に ROD の写真を載せる。

3.3.3.13 HSC(High pT Star Switch Controller Board)
HSC は HPT、SSW と同じ HSC クレートに載せられる、VME マスターモジュールである。後述する CCI と光ファイバーで結ばれ、CCI からの命令を受け取る。命令を受け取ると、命令に対応した処理を行い、その後 CCI へ応答を返す。命令は HPT や SSW に対するもので、命令を受け取ると VME バスを支配しスレーブモジュール (HPT、SSW)
に対して命令を伝える。また VME バス以外に JTAG バスも使用されている。このため

73

図 3.50 ROD の写真 [16]図 3.49 SSW の写真 [16]

HSC には、CCI との情報のエンコード、デコードのために 2 種類の機能が用意されている。ひとつは PPE(Primary Protocol Encoder) という JTAG 用のもので、リセットや JTAGのコントロールを行う。もう一方は SPE(Secondary Protocol Encoder) という VME 用のもので、VME のコントロールを行う。図 3.51 に HSC の写真を載せる。

3.3.3.14 CCI (Control Configuration Interface Board)
CCI はローカルホストからの命令を受け取り、命令専用レジスタに格納したあと HSCへと送信する。一方、HSC からの応答は、応答専用レジスタに格納されローカルホストが読み出す。これら以外にも状態監視用のレジスタや VME 優先割り込み用のレジスタが用意され、これらは VME 経由でアクセスすることが可能である。図 3.52 に CCI の写真を載せる。

図 3.52 CCI の写真 [16]図 3.51 HSC の写真 [16]74

3.3.4 TGC エレクトロニクスシステムのコントロール
TGC エレクトロニクスはそれぞれの動作が 25ns に同期して動作を行うように設計をされている為、ランの最中に内部の設定値を動的に変化をさせる事は無理である。その為、ラン開始前に全ての設定を行い、ラン開始後には制御を行わなくても動作するように設計がされている。つまり、TGC エレクトロニクスのコントロールソフトウェアもそれぞれのハードウェアをラン開始前に初期設定を行うように設計される必要がある。また、エレクトロニクスの設定では設定する順序が重要であり、次のように決められている。

1. TTC を初期化する。
2. 各モジュールのリセットをしてレジスタを初期化する。
3. CCI→SSW→PSB の順に設定をする。これは、CCI-HSC の先に SSW があり、SSWの先に PSB があるという構造のためである。

4. TTC の設定をする。
5. ROD の FIFO のクリア。これはコンフィギュアの最中に出てしまった SSW からのデータを消すためである。
図 3.53 は TGC エレクトロニクスのコントロールパスを示している。エレクトロニクス
はクロックや ECR 等の TTC 信号による早いコントロール (赤線) と、JTAG、VME アクセスによるレジスタの設定の遅いコントロール (緑線) の二系統から成る。これら二系統の信号を SBC(Single Board Computer) からの VME アクセスによって制御する。

図 3.53 TGC エレクトロニクスのコントロールラインの概念図 [16]
SBC→CCI→HSC→SSW→JRC の流れでコントロールが行われる。

75

第4章

TGC システムの構築と検査
TGC システムは 3498 層のガス検出器と、多数のエレクトロニクスからなる複雑で巨大なシステムである。要求される性能水準を満たし各部品を量産するのには大変な労力と時間が必要がかかった。現在、全ての検出器とエレクトロニクスの生産は完了し、ATLAS
地下実験ホールへインストール済みである。この章では、初めに TGC システム構築の歴史について述べる。次にセクター単位での地上動作試験及び、地下実験ホールへのインス
トールについて概要を説明する。最後に地下実験ホールにおける動作試験と試運転について述べる。

4.1 TGC システム構築の歴史
TGC システムは 1998 年にエレクトロニクスの開発がスタートしてから 10 年の月日をかけ、2008 年に全ての検出器とエレクトロニクスの生産及び、地下ホールへのインストー
ルを終えた。図 4.1 に、その概観を示す。

4.1.1 エレクトロニクスの開発と量産
TGC シ ス テ ム の た め に 日 本 グ ル ー プ で 7 種 の エ レ ク ト ロ ニ ク ス モ ジ ュ ー ル(ASD,PSB,SSW,HPT,SL,HSC,CCI) と、それに載る 4 種の ASIC(ASD,PP,SLB,HPT) の開発が行われた。(各モジュールの詳細は第 3 章を参照。) モジュールの検査は主に日本のKEK、林栄精器、一部は CERN へ輸送後に行われた。地下実験ホール (UX15) に設置されるものは 2007 年に検査が完了し実際にインストールされた。2008 年にはカウンティン
グルーム (USA15) に設置されるものも含め全モジュールのインストールが完了し、TGCシステムが組み上がった。ROD はイスラエルグループによって開発され、ハードウェア
としては完成しているが FPGA に書き込まれる論理にまだバグがあり完成を急いでいる。
表 4.1 に TGC エレクトロニクスで用いられるモジュールの一覧を載せた。

76

図 4.1 TGC 構築の歴史 [39]表 4.1 TGC エレクトロニクスのモジュール一覧

モジュール名

必要な数

ASD

20704

PSB

1344

SSW

224

HPT

192

SL

72

HSC

30

CCI

30

ROD

24

77

4.1.2 ガスチェンバーの開発と量産
ガスチェンバーは、LEP の OPAL 実験で使われていたものを基に日本グループにより設計され (3 参照)、約 6 年かけて量産と単体の動作試験を終えた。表 4.2 にチェンバーモ
ジュールの一覧を示す。必要なモジュール数が約 1600 枚と多いため、量産は日本、イス
ラエル、中国の 3 グループにより分担して行われた。日本の KEK で行われたチェンバー
製作の様子を図 4.2、図 4.3、図 4.4 に示す。検査は日本の場合は神戸大学で行われ、ガス
リーク検査、宇宙線による検出効率試験、修復等が行われた。図 4.5、図 4.6、図 4.7 に神戸大学における検査、修理の様子を示す。

図 4.2 KEK における TGCの量産 1[22]図 4.5

神戸大学におけるガスリーク修理の様子 [42]図 4.3

KEK における TGCの量産 2[22]図 4.6

図 4.4 KEK における TGCの量産 3[22]

宇宙線を用いた検出

効率試験システム [42]チェンバーの上下にシンチレーター

クリーナーでゴミをとった後に、圧と直交した 2 層のドリフトチューブ
着する。
を配置し宇宙線の通過位置を求め、対応チャンネルの挙動を見る。

78

図 4.7

検出効率試験の結果。[42]
上段:悪い例、下段:良い例。

表 4.2 ATLAS に必要な TGC モジュールの一覧
トリプレットモジュールは 3 層、ダブレットモジュール 2 層の TGC からなる。ただしトリプレットモジュールの中央の層はカソードストリップの読出しがないので、読出しは 2 層となる。TGC システムはモジュール総数

1578 枚、チェンバー総数 3498 層、チャンネル総数 318112 個の巨大システムである。実際には予備として少し多目に製作されている。各モジュールの配置に関しては図 3.12 を参照。T1 Triplet2 層目,T3 Triplet1 層目,T6

Triplet1 層目のワイヤーは他の層と 1 つだけチャンネル数が異なる。

TGC モジュール名

使用枚数

チャンネル数、層数
ワイヤー

層

ストリップ

層

T1 Triplet for TGC1

48

105(L2:104)

3

32

2

T3 Triplet for TGC1

96

91(L1:92)

3

32

2

T6 Triplet for TGC1

96

62(L1:61)

3

32

2

T7 Triplet for TGC1

96

23

3

32

2

T8 Triplet for TGC1

96

24

3

32

2

T2 Doublet for TGC2

48

125

2

32

2

T4 Doublet for TGC2

96

110

2

32

2

T6 Doublet for TGC2

96

103

2

32

2

T7 Doublet for TGC2

96

32

2

32

2

T8 Doublet for TGC2

96

32

2

32

2

T9 Doublet for TGC2

96

32

2

32

2

T2 Doublet for TGC3

48

122

2

32

2

T5 Doublet for TGC3

96

96

2

32

2

T6 Doublet for TGC3

96

106

2

32

2

T7 Doublet for TGC3

96

32

2

32

2

T8 Doublet for TGC3

96

32

2

32

2

T9 Doublet for TGC3

96

31

2

32

2

T10 Doublet for FI

32

32

2

32

2

T10S Doublet for FI

16

30

2

32

2

T11 Doublet for EI

26

24

2

32

2

T11S Doublet for EI

16

16

2

32

2

総計

1578

21712079

100992

4.1.3 1/12 セクター及びスモールウィールの組立
各国から CERN へ輸送された TGC モジュールは、ビッグウィールの場合、地上で 1/12
セクターの状態まで組立てられた後に地下実験ホールへインストールされた。EI/FI は

EI のみ先に地下ホールへ搬送され ATLAS に組み込まれ、FI は 24 枚を円盤状 (スモールウィール) にしてから円盤ごと地下に搬送された。1/12 セクター及びスモールウィー
ルの組立は CERN の Meyrin site 内にある Bat.180 及び Bat.191 で行われた。図 4.8 にBat.180、Bat.191、ATLAS 実験ホールの位置関係を示す。

図 4.8

CERN の Meyrin site の地図 [39]図中に青で示した Bat.180 でビッグウィール 1/12 セクターの、Bat.191 でスモールウィールの組立が行われた。
赤で示した ATLAS Pit が ATLAS 地下実験ホールのある場所である。

図 4.10 セクターの図 4.11 セクターの立 1[22]

組立 2[22]

組立 3[22]

水平状態で構造体組立, ガ

垂直状態で構造体にチェン 組み立てが終わり検査を待ス,LV,HV の配線を行う。

バーモジュールを取付。

図 4.9

セクターの組80

つ 1/12 セクター。

図 4.12 セクターの組立 3[22]
組立てられ検査を待つス
モールウィール。

4.2

地上動作試験

地下実験ホールへチェンバーをインストール後は各部へのアクセスが困難となるため可能なところまで地上で組立をし、動作検証を済ませておくことが望ましい。そのために前述の通り、ビッグウィールは 1/12 セクター、FI はスモールウィールの状態まで地上で組立てを済ませた。地上動作試験も組立てたのと同じ単位で、同じ場所で行われた。
試験はテストパルスと宇宙線を用いて行われ、それぞれ表 4.3 に示した項目を検査する。
ただし、TGC2 に関してはセクター上に PSB がない (TGC2 用の PSB は TGC3 の PSPackに搭載される) ため、Universal Board *1 を一時的に接続してやり、配線チェックのみが行われた。また EI に関しては、ATLAS の構造上、地下ホールへのインストールが非常に初期だったために、地上動作試験を行うことが出来なかった。
表 4.3

地上動作試験の検査項目

地上動作試験は、SLB テストパルス試験、ASD テストパルス試験、宇宙線試験の 3 つにわけられ、1 つのセク
ター、またはスモールウィールに対してこの順番で行われる。それぞれ以下の項目を検査する。

検査項目

SLB テストパルス試験

JTAG による設定変更
SLB のリードアウト出力
SLB-SSW 間の接続

ASD テストパルス試験

PP の入出力
SLB の入力
ASD の動作DCS による ASD への閾値電圧の印加
ASD-PP 間の接続
チェンバーの HV 印加

宇宙線試験

SLB のトリガー出力
チェンバーのチャンネル欠け*1 Universal Board とは、トリプレットやダブレットといった用途に特化する前の基礎設計段階の PSB で、

ASIC などはすべて同じで配線のみが異なる。

81

4.2.1 SLB テストパルス試験
SLB テストパルスは、SLB のリードアウト系の hit に関連する出力 160bit を強制的にオール 1 にした出力のことをそう呼んでいる。SLB はテスト用に好きなパターンの160bit を強制的に出力することが出来るように作られており、TTC からのテストパルス
トリガー信号を受けて SLB 自身のパイプラインバッファに、設定した 160bit のパターンを入力する。L1A のかわりに TTC から、LHC のビーム周期と同じ約 10kHz の信号を、
擬似 L1A として入力してやる。テストパルストリガー信号も擬似 L1A 同じく 10kHz 周期で発行されるが、常にテストパルストリガーの方が固定時間 (仮に X とする) だけ早く発行される。
エレクトロニクスは全て 40.08MHz のクロックで動作しているので、10kHz 周期だと4000 クロックに 1 回しか SLB へのテストパルス入力がない。SLB のパイプラインバッ
ファからデータを読み出すタイミングに注意する必要がある。PSB 上での信号の遅れを無視した場合、擬似 L1A はテストパルストリガーに対して、” X ” だけ遅れて SLB に届く。この時間差の吸収は、SLB の設定値の 1 つである Depth の変更によって行う。Depthとは SLB のパイプラインバッファの何段目を読み出すかという設定であり、クロック単位での変更が可能である。図 4.13 に Depth の概念図を示す。

図 4.13 Depth の概念
パイプラインバッファは 1 クロック毎に新しいデータによって前のデータが深い段 (数字の大きい段) に押し出される仕組みになっているので、例えばテストパルスに対して L1A の到着が 10 クロック遅い場合、11 段目を読み出せば対応するテストパルスのデータが取得出来る。SLB のパイプラインバッファは 128 段用意されているので許される時間差は最大で 3.2µ s である。ATLAS のレベル 1 トリガーのレイテンシーは 2.5µ s 以下となるよう設計されているのでこの深さで十分である。

82

擬似 L1A を受けた SLB は SSW にオール 1 のデータを送り出し、SSW はこれをTest ROD(地上試験用のテストモジュール) に送り出す。Test ROD は、SSW からの Byte
Stream フォーマットのデータにヘッダーとトレイラーを付けるだけでデータ部分には何も触らないモジュールである。このデータを PC に取り込み解析を行う。
なおビッグウィールの場合、PSB(PP,SLB) はセクターのチェンバー上に設置され、SSW
はセクター横にミニラックと呼ばれる HSC クレートを用意し、そこに設置される。TTC、

Test ROD、PC はエレキハットと呼ばれるカウンティングルームに置かれ、ミニラックとの間は FPP *2 を通して光ファイバーで結ばれる。TTC のレシーバーにあたる TTCrq は

PSB と一緒にチェンバー上に設置される SPP に載っている。スモールウィールの場合は、
PSB、SSW、TTC、Test ROD は全てミニラックに設置され、PC もミニラックと一緒にチェンバーのすぐ横に置かれた。図 4.14、図 4.15 に SLB テストパルス試験のセットアップ及び信号の流れを示す。

図 4.14 SLB テストパルス試験のセット

図 4.15 SLB テストパルス試験のセット

アップ (1/12 セクター)アップ (スモールウィール)

検査の手順は以下の通り。

1. PP,SLB,SSW の初期化を行い、PP,SLB が JTAG によって設定出来る事を確認する。
2. TTC からテストパルストリガーと、擬似 L1A を発行してデータを取得する。
3. データを解析しヒットマップを作り、SLB の出力や SSW との接続に問題がないか確認する。

4. 問題があればまず配線を確認、必要ならば PSB やケーブルの交換を行う。
5. 問題なければ ASD テストパルス試験に進む。
以 下 に 実 際 に 取 得 し た デ ー タ の 例 と し て FI の T10/T10S チ ェ ン バ ー (ワ イ ヤ ー*2 Fiber Patch Panel:複数のファイバー入出力を持つ箱同士を、ファイバーをひとまとめにして太く丈夫な構造で覆って保護したものでつないだモジュール。両側の箱の入出力は一対一で対応しており、折れやすい
光ファイバーを長距離つなぐ場合に用いられる。

8332ch/30ch、ストリップ 32ch/32ch) のヒットマップを示す。横軸がチェンバーのチャ
ンネルに対応し、縦軸はそのチャンネルにヒットがあったイベント数である。T10S はワ
イヤーが 30 チャンネルしかないが、SLB テストパルスの場合はチェンバーからの信号を用いないので 32ch 分全てあるように見える。図 4.16、図 4.17 は、それぞれワイヤー、
ストリップの正常なヒットマップ、図 4.18 は Depth が 1 クロックだけ小さい場合の例である。

図 4.18 SLB テストパルス
ヒットマップ (ワイヤー)
Depth が 1 クロック小さい場合。
SLB からは該当 Depth の前後計 3
クロック分が同時に読み出される仕様になっており、1 クロックのずれ

図 4.16 SLB テストパルス

図 4.17 SLB テストパルス

ヒットマップ (ワイヤー)

ヒットマップ (ストリップ)

ならヒットが見える。Depth が 1 ク
ロック小さいものは青 (Next)、大き問題がない場合の図。横軸がチャン 問題がない場合の図。横軸がチャンいものは赤 (Previous) で表示する。

ネル、縦軸がそのチャンネルにヒッ ネル、縦軸がそのチャンネルにヒットがあったイベント数。黒がトがあったイベント数。黒が横軸がチャンネル、縦軸がそのチャンネルにヒットがあったイベント数。

Current、赤が Previous、青が Next。Current、赤が Previous、青が Next。
FI-C-φ 22,T10,Layer1/2。

FI-C-φ 12,T10,Layer1/2。

黒が Current、赤が Previous、青がNext。FI-C-φ 11,T10S,Layer1。

4.2.2 ASD テストパルス試験
ASD は PP からのテストパルス信号を受けて、PP に信号を返す機能を持っており、これを ASD テストパルスと呼んでいる。テストパルストリガーは TTC から PP に送られ、テストパルストリガーを受けた PP は設定に応じたディレイを経て ASD にシリアル信号を送る。これを受けた ASD は 16 チャンネルに対応した 16 本のパラレル信号を PP に返し、PP から見るとあたかもチェンバーのチャンネルが鳴って出てきた信号のように見える。ASD から帰ってくる信号は必ず全 16 チャンネルが鳴った状態で、パターンの変更は出来ない。ASD テストパルスでパルスパターンを変更したい場合は、PP の入力部分でマ84

スクをかけることで対応する。テストパルストリガーは SLB テストパルス試験と同様に、
擬似 L1A 信号と同周期の約 10kHz で、固定時間”X”だけ早く TTC から発行される。ち
なみにトリガー信号自体は SLB テストパルスと同じものだが、SLB 側の設定で Testpulse

VETO という設定値を変更することで ASD テストパルスと使い分けることが出来る。
PSB 上での信号の遅れを無視し、PP でのテストパルス発行ディレイを設定しない場合、
擬似 L1A は ASD から帰ってくるテストパルスに対して、” X − (PP-ASD 間の信号の往復時間) ”だけ遅れて SLB に届く。電気信号の伝達にかかる時間は概ね 5nsec/m であるから、ケーブル長 2.5m あたり 1 クロックだけ時間差が縮まる。PP-ASD 間のケーブル長はチェンバー毎に異なるので、検査するチェンバー毎に Depth の値を適切に変更してやる。

ASD テストパルス試験のセットアップ及び信号の流れを図 4.19、図 4.20 に示す。セットアップは基本的に SLB テストパルスと同様であるが、ASD 閾値電圧をかける必要があ
る点だけ異なる。閾値電圧をかけない場合、ASD からのノイズにより綺麗なヒットマップが得られない。ビッグウィールは DCS を通じて閾値電圧をかけるが、スモールウィール
は DCS が準備出来ていなかったために暫定処置として閾値電圧をかける専用のモジュー
ルを作成し使用した。

図 4.19 ASD テストパルス試験のセット

図 4.20 ASD テストパルス試験のセット

アップ (1/12 セクター)アップ (スモールウィール)

検査の手順は以下の通り。

1. PP,SLB,SSW の初期化と設定を行う。
2. DCS から、ASD へ閾値電圧を供給する。
3. TTC からテストパルストリガーと、擬似 L1A を発行してデータを取得する。
4. データを解析しヒットマップを作り、閾値電圧がかかっているか、ASD-PP 間の接続の正しさ、PP、SLB の入出力に問題がないか等をチェックする。

5. 問題があればまず配線を確認、必要ならば PSB や ASD、ケーブルの交換を行う。
6. 問題なければ宇宙線試験に進む。

85

以 下 に 実 際 に 取 得 し た デ ー タ の 例 と し て FI の T10/T10S チ ェ ン バ ー (ワ イ ヤ ー

32ch/30ch、ストリップ 32ch/32ch) のヒットマップを示す。横軸がチェンバーのチャ
ンネルに対応し、縦軸はそのチャンネルにヒットがあったイベント数である。T10S はワ
イヤーが 30 チャンネルしかないが、ASD のピンの数は共通であり、ピンのあるチャンネ
ルはテストパルスが帰ってくるため 32ch 分全てあるように見える。図 4.21、図 4.22 は、それぞれ ASD 欠損 (16ch 単位)、チャンネル欠損 (1ch 単位) がある場合、図 4.23 は閾値
電圧がうまくかかっていない場合の例である。

図 4.21 ASD テストパルス

図 4.22

ASD テストパルス
ヒットマップ (ワイヤー)

ヒットマップ (ワイヤー)

図 4.23 ASD テストパルス
ヒットマップ (ストリップ)

ASD 単位の欠損 (下段左半分 16ch)
チャンネル単位の欠損 (下段左下) が ASD 閾値電圧がうまくかかっていながある。片層に ASD 単位の欠損がある。コネクタピンの不良やケーブ い場合。ノイズが支配的となりテス
ある場合 ASD の接続や不良を疑う。
ル中の断線を疑う。両層で左半分が トパルスが見えない。特に上段は特両層の同じ部分の ASD 単位欠落は
赤いのは、ASD-PSB 間のケーブル 定のチャンネルが発振してしまって

PSB 側コネクタを疑う (2 層の ASD
長が右半分より短いため。層間では いる。ノイズはランダムに発生するが 1 つのコネクタに合流しているた
ケーブル長の差はない。横軸がチャ のでタイミングも黒赤青にばらける。
め)。横軸がチャンネル、縦軸がそのンネル、縦軸がそのチャンネルに横軸がチャンネル、縦軸がそのチャヒットがあったイベント数。黒がンネルにヒットがあったイベント数。

チャンネルにヒットがあったイベン
ト数。黒が Current、赤が Previous、

Current、赤が Previous、青が Next。 黒が Current、赤が Previous、青が青が Next。

FI-C-φ 11,T10S,Layer1/2。

FI-A-φ 9,T10,Layer1/2。

86

Next。FI-A-φ 1,T10,Layer1/2。

4.2.3 宇宙線試験
地上動作試験の最終段階として、宇宙線を用いてエレクトロニクス及びチェンバーの検査を行う。そのためにチェンバーにはガスを供給し、HV を印加して、宇宙線に反応してヒットを出す状態にしなくてはならない。TGC3 検査時のチェンバーのパラメータは表4.4 の通りである。
表 4.4 TGC3 の宇宙線検査時のパラメーター

パラメーター

値

使用ガス

CO2

HV

2800V

閾値電圧
トリガー条件

ワイヤー：100mV、ストリップ：150mV
ワイヤー 1/2 or ワイヤー 2/2

セットアップの一番大きな違いは、L1A として TTC の発行する擬似 L1A 信号ではなく、宇宙線によるチェンバーのヒット信号を元にして実際に TGC のエレクトロニクスが発行するトリガー信号を用いる点である。そのためにビッグウィールではCTM(Commissioning Trigger Module) という HPT の代替モジュールを用いた。HPT モ
ジュールの動作にはダブレット PSB(TGC2/3) とトリプレット PSB(TGC1) の双方からのCAT6 ケーブル入力を必要とするが、CTM は単純に入力の OR を取るモジュールで、ダブレット単体、又はトリプレット単体からの CAT6 ケーブル入力に対し動作が可能である。地上動作試験において TGC1,2,3 は全て別々に検査がなされたため、PSB からのトリ
ガー信号処理には CTM を用いるのが都合が良かった。CTM で OR 処理されたトリガー
信号は TTC へ送られ、TTCrq を通して L1A として PSB に戻ってくる。よって Depth の
設定は、SLB→CTM→TTC→SLB という一連の信号伝播に要する時間によって決まる。
一方スモールウィールの場合は、PSB からのトリガー出力が光ファイバーであるため、本番と同様にトリガー出力を直接 SL へ入力した。この SL は、地上動作試験用に CMT
同様の単純な OR を取る特殊な論理を FPGA に焼き込んだもので、他のモジュール同様にチェンバー横のミニラックに設置された。図 4.24、図 4.25 に宇宙線試験におけるセッ
トアップと信号の流れを示す。

TGC3 の検査の場合もう一つ特殊な事情がある。それは TGC2,3 はダブレット 2 枚を合わせた 4 層のうち 3/4、又は 4/4 のコインシデンスをとってトリガー信号を出す仕組みになっているという点である。地上動作試験の場合、TGC3 単体での検査となるのでこのままでは宇宙線によるヒットでトリガー信号が発行されることはない。そこで、 SLB のマ

87

図 4.24 宇宙線試験のセットアップ (1/12

図 4.25

宇 宙 線 試 験 の セ ッ ト ア ッ プ (スセクター)

モールウィール)

スク機能を用いて、TGC2 のヒットに対応する bit にダミーヒットを埋め込んでやる。こうすることで 3/4、4/4 コインシデンスは、それぞれ TGC3 上での 1/2、2/2 コインシデンスを要求することになる。
検査の手順は以下の通り。

1. PP,SLB,SSW の初期化と設定を行う。
2. DCS から、ASD へ閾値電圧を供給する。
3. 片レイヤーのみに HV を印加し 1/2 トリガーでデータ取得し、レイヤー間の HV や信号線のスワップの有無を確認する。

4. 両レイヤー HV を印加し 2/2 トリガーでデータを取得し、欠損チャンネルの有無
等、チェンバーの動作を確認する。

5. 問題があればまず配線を確認、必要ならば PSB、ASD、ケーブル、チェンバーの交換を行う。
以 下 に 実 際 に 取 得 し た デ ー タ の 例 と し て FI の T10/T10S チ ェ ン バ ー (ワ イ ヤ ー

32ch/30ch、ストリップ 32ch/32ch) のヒットマップを示す。横軸がチェンバーのチャ
ンネルに対応し、縦軸はそのチャンネルにヒットがあったイベント数である。T10S はワ
イヤーが 30 チャンネルしかないため、宇宙船試験では端の 31,32ch が欠けて見える。図4.26 はレイヤー 2 のみ HV を印加した場合、図 4.27 は両レイヤーに印加した場合、図4.28 は発振チャンネルや、欠損チャンネルがあった場合の例である。

88

図 4.28 宇宙線試験ヒット
図 4.26 宇宙線試験ヒット
マップ (ワイヤー)

図 4.27

宇宙線試験ヒットマップ (ワイヤー)

レイヤー 2 のみ 2800V の HV を印
両層に 2800V の HV を印加し 2/2
加し 1/2 ワイヤーコインシデンスで
ワイヤーコインシデンスでトリガートリガーをかけた場合。HV をかけをかけた場合。両層にヒット分布がた層と逆の層に宇宙線が見えた場合、見える。宇宙線試験によってチェン

HV 又は ASD の配線疑う。テスト
バーに起因するチャンネル欠けと、パルス試験では両レイヤー同時にパエレクトロニクスのトリガー論理のルスを入れるのでレイヤー間スワッ作動が検査できる。横軸がチャンネ
プは発見出来なかった。横軸がチャル、縦軸がそのチャンネルにヒット
ンネル、縦軸がそのチャンネルにがあったイベント数。黒が Current、
ヒットがあったイベント数。黒が赤が Previous、青が Next。

Current、赤が Previous、青が Next。
FI-C-φ 12,T10,Layer1/2。

FI-C-φ 19,T10,Layer1/2。

89

マップ (上:ストリップ、下:ワイヤー)
上：2 チャンネルが発振して常に鳴り続けているのがわかる。下：左端の 2 チャンネルはチャンネル欠け。
右端の 2 チャンネルは T10S チェン
バーはワイヤーが 30 チャンネルしかないためで正常。横軸がチャンネ
ル、縦軸がそのチャンネルにヒットがあったイベント数。黒が Current、
赤が Previous、青が Next。
上:FI-A-φ 1,T10,Layer1,
下:FI-C-φ 11,T10S,Layer2。

4.2.4 地上動作試験の成果
地上動作試験の結果、対処できるヒューマンエラーは全て排除された。我々が担当した

TGC3 とスモールウィールに対して地上動作試験で発見、修復した問題の一覧を表 4.5 に示す。また、表 4.6 には検査が行われた全チェンバーで発見され修復が出来なかった問題
チャンネルの数を示す。これらはチェンバーの内部に起因するため対処がほぼ不可能なものであるが、全体の 0.013% に抑えることができた。欠損チャンネルに関しては個々が各チェンバーにばらけて存在しており、数も少ないため全体に与える影響は軽微である。発振チャンネルは地下ホールへインストール後にも発振が確認されるようであれば、PSB 上
でマスクをかけ、そのチャンネルを使用しないことで対処することになった。
表 4.5

地上動作試験で発見され対処された問題

HV 配線スワップ

チェンバー交換

PSB 交換A サイド TGC3

4/242

2/242

7/198

C サイド TGC3

2/242

4/242

17/198

表 4.6

地上動作試験で発見された問題のあるチャンネルサイド

ステーション

欠損 + 発振 / 全チャンネル数 (割合)

A サイド

TGC1

4+0 / 50160 (0.008%)

TGC2

0+0 / 52560 (0%)

TGC3

11+0 / 51072 (0.02%)

FI

1+2 / 3040 (0.1%)

TGC1

5+0 / 50160 (0.01%)

TGC2

3+0 / 52560 (0.006%)

TGC3

10+0 / 51072 (0.02%)

FI

2+2 / 3040 (0.1%)

C サイド

36+4 / 313664 (0.013%)

計

90

4.3

地下実験ホールへのインストール

4.3.1 チェンバーのインストール
地上動作試験を終えた TGC は、順次 ATLAS 地下実験ホールへインストールされた。
インストールが滞りなく進むように検査の優先順位が決められたが、前述の通り、EI に関しては地上検査をする前に地下へインストールせざるを得なかった。図 4.29〜図 4.34に、TGC が Bat.180 及び Bat.191 から ATLAS 地下実験ホールへ運ばれ、インストールされる様子を載せた。

図 4.29セクターの地下ホールへの移動 [22]図 4.30 セクターをクレーンで地下に降ろす様子 [22]図 4.31 セクターを地下ホールで円盤状に組立[22]

図 4.32

検査を終え移動を待つスモールウィール
TCG の上についているのは MDT の

図 4.33 Bat.191 か ら 地 下 実
験ホールへ運ばれる様子

図 4.34 クレーンで地下に降ろす様子EIL。

91

4.3.2 エレクトロニクスのインストール
チェンバーのインストールと並行して、エレクトロニクスの地下実験ホールへのインス
トールも進めていった。地下実験ホールでのエレクトロニクスの配置に関しては第 3 章で説明したが、ここで再確認しておく。設置場所は 1. チェンバー上 (UX15)、2. チェンバー
端 HSC クレート (UX15)、3. カウンティングルーム (USA15) の 3 箇所に大別され、各エレクトロニクスはそれぞれの場所に図 4.35 に示すように配置される。ただし EI/FI 用の

HSC クレートだけは例外的に、UX15 内の ATLAS 検出器の横の足場に独立して設置される。HSC クレートはビッグウィール 1/12 セクターあたり 1 台、EI/FI は片サイド 1 台となるので、全部で 12×2 + 1 × 2 = 26 台ある。HSC クレートと USA15 の間は FPP を通して光ファイバーで結ばれ、USA15 にある ROD はビッグウィールの HSC クレート 1 台に対して 1 枚用いられる。

図 4.35 地下実験ホールにおける TGC 及びエレクトロニクスの配置
図の左下は TGC ビッグウィールのイメージ図で、チェンバー上に PS pack、端に HSE クレートが載る。PS
pack はダブレット用が TGC3 上の衝突点から遠い側に、トリプレット用が TGC1 上の衝突点に近い側にある。
1/12 セクター 1 つに含まれる 4 つの PS pack からの出力は 1 つの HSC クレートの SSW、HPT で処理され、結果は FPP を通して UX15 から約 50m 離れた USA15 へ光ファイバーで送られる。図中の青線は光ファイバーを、
赤線は CAT6 ケーブルを表す。USA15 においてトリガー情報は SL、リードアウト情報は ROD で処理される。

92

図 4.36〜図 4.39 に、UX15、USA15 の PS pack、クレート、モジュールの写真を載せた。

図 4.37 HSC クレート
図 4.36 PSPack と HSC クレート [39]

HSC クレートの拡大写真。左側の緑色のボード

左下に見える青い箱が HSC クレート。赤で囲まれているのが が HPT、右側の黒いボードが SSW。PSB から
PS pack。
の CAT6 ケーブル入力を外した状態の写真。

図 4.38

USA15 の VME クレート [39]図 4.39 USA15 の VME クレート

USA15 の VME クレートの写真。右側の赤枠内に見え CAT6 ケーブルをはずした状態の VME クレートの拡大
るのが ROD。左側は光ファイバーと CAT6 ケーブルで写真。右下の白いモジュールが FPP。右上の緑色が覆われて見えないが UX15 と繋がる FPP や、SL、CCI SL、中上段の黒いボードは SSW だが、SL からのトリが設置されている。

ガー情報をまとめて ROD に送信する役割を持つ。

93

4.4

地下ホールにおける動作試験と試運転

2008 年夏、全てのチェンバー、エレクトロニクスの地下ホールへの設置が完了し、エレクトロニクス間の配線も一通り終えた。そして TGC 単独での試運転や ATLAS 全体での統合試運転 (Milestone run と呼ぶ) を通し、実験開始に備えたパラメータ調整や、システ
ムの動作の最終確認が行われた。この節では、実験本番開始へ向けて行われた準備のうちタイミング関連のパラメータの調整に関して説明する。次にリードアウト、トリガー、コントロールラインの動作確認の手法について述べる。他検出器の導入や修理等の際、ビッグウィール全体を動かす必要がある場合に、一度接続を完了した配線を一旦外さなければならない状況が度々あった。また故障により TGC システムのモジュールを交換しなければならない場合もある。そのような状況は今後新たに発生する可能性も否定はできない。
そのため、配線復帰後に速やかに TGC の動作を確認できる手法が確立された。そして最後に、2008 年 9 月の LHC ファーストビームでハローを捕らえたデータを紹介する。

4.4.1 タイミングパラメーターの調整
ATLAS の様な巨大検出器では正しいタイミングでのデータ取得のために、ケーブル長の差等による信号タイミング差を見積もり、事前にパラメータを調整する事は非常に重要である。トリガー情報は、SLB→HPT→SL→MIOCT→CTP→LTP→TTC→SPP→SLBという経路を通り、その間に多数のケーブル及び論理回路を経る。TGC では各エレクト
ロニクス上に可変ディレイを設け、各段階で信号のタイミングをあわせる設計になっている。表 4.7 にタイミングパラメータとそれが実装される場所、その役割の一覧を載せる。
表 4.7

タイミングパラメータの種類

パラメータ

実装場所

役割

Signal delayPP

正しいバンチ ID を付与し LHC クロックとの同期を取る

BCID delay

Singnal(0-25nsec 幅,25/30 nsec 単位 ),BCID(clk 単位)

SLB delay

SLB

同じ SLB に入るレイヤー間差を調整 ( 0-3clk 幅, 0.5 clk 単位 )L1A Depth

SLB

L1A 信号とリードアウト情報の時間差を調整 (clk 単位)

TTCrx delay

SPP

CTP-SPP 間ファイバーによる L1A 到着時間差を調整 (clc 単位)

HPT delay

HPT,HPT

同 HPT へ入る PSB 間差を調整 (clk 単位)

SL delay

HPT,HPT

同 SL に入る wire,strip の HPT 間の差を調整 (clk 単位) ※未使用

MIOCT delay

MIOCT

HPT-SL 間ファイバーによるセクター間差を調整 (clk 単位)

94現在の設定値は、BCID delay は TGC2 の PP のみ 1 クロック、SLB delay は TGC1/3
のみに 1 クロック、HPT delay は TGC1 のみ 1 クロックを設定している。SL delay は

HPT の時点でワイヤーとストリップのタイミングが揃っているので現在使用していな
い。Signal delay については後述するが、PP によって細かく異なっている。セクター間のタイミング差 (HPT-SL 間の光ファイバー長の差に起因) に関して、トリガー情報の往路
は MIOCT delay で、復路は SPP 上の TTCrx の delay で吸収している。TGC1 と 2/3 のPSpack では SPP-PSB 間のケーブル長差が 1.7m あり、TTCrx delay の設定値にはその差も反映される。L1A Depth は SLB から出たトリガー情報が TTC を経て SLB に戻ってくる間にあるケーブル長と論理遅延、そして上述のディレイ値によって決まる。図 4.40 に各部のケーブルで生じる信号の遅れを示す。図中の数字の単位はクロック (25nsec) である。ディレイによって往路は CTP の時点で、復路は SPP の時点でタイミングが揃うようにしているので、現在 Depth の値は全 SLB で共通の値となっている。

図 4.40 Depth を決定する信号の遅れ [18]数字の単位は LHC の 1 クロック (25nsec)

4.4.1.1 UX15-USA15 間の光ファイバー長スキャン
HPT-SL 間の光ファイバー長の差は最大で約 40m あり、最も大きな影響を与えるので実際に長さを測定し正しい遅延時間を知るのが望ましい。そこで UX15 と USA15 の FPP間の信号往復時間を実際に測定した。図 4.41 に示した通り、光ファイバーはチェンバー
端の HSC クレートから出てビッグウィールの縁を沿うようにして一箇所にまとめられる。
よって UX15 から最も遠い側にある A01 及び C01 セクターの光ファイバーが最も長く90.4m、一番近い側にある A07、C07 が最も短く 50.2m ある。図 4.42 に測定結果を示す。
4.4.1.2 Signal ディレイスキャン
衝突点で生じた粒子に起因するミューオンが TGC を通過して信号が発生し、ASD を通して PP に入るまでの間生じるタイミングの差は、1.TOF によるもの、2.ASD-PP 間ケー
ブルによるもの、が考えられる。PP では ASD からの信号を LHC クロックと同期させ、バンチ ID を付与する回路 (Bunch-ID 回路) が搭載されており、同じイベントの信号は全て同じバンチ ID を持つよう同期のタイミングを合わせなくてはならない。。そのために

95

図 4.41

HSC クレート-USA15 間のファイバー長差 [39]図 4.42 HSC クレート-USA15 間のファイセクター 07 が最も USA15 に近く、セクター 01 が最バー長スキャン [39]も遠い。光ファイバー (青線) は HSC クレートから出 左:A サイド、右:C サイドの結果。横軸はセクター番号
た後ウィールの縁に沿って一箇所にまとめられる。

(01〜12)、縦軸の左目盛りが信号伝播の片道にかかる時
間 [ns]、右目盛りがファイバー長 [m]。

図 4.43 TOF の差 [39]図 4.44

ASD-PSB 間のケーブル長差 [39]

最短で TGC1 の r 最小の点 (45ns)、最長で TGC3 の r

写真は TGC1。最短で 1.8m、最長で 12.5m と実に最大の点 (62ns)、その差は 18ns になる。

10.7m の差 (約 2 クロック分に相当) がある。

ASD 信号をサブナノ秒 (25/30sec) 単位で遅らせる Signal delay と、バンチのカウントをずらす (クロック単位でのタイミング調整に相当する)、BCIDdelay が実装されている。
これらの数値は、TOF やケーブル長の差から計算し求められるが、それが正しいことを確認するために、Signal delay をサブナノ秒単位でずらしながらデータのタイミングの遷移を観察するという手法をとった。図 4.43、図 4.44 に、TOF の差、ASD-PP 間ケーブル
長差のイメージを示す。

96

具体的な手順は以下の通りである。

1. TOF+ASD-PP 間差を ASD テストパルスによってエミュレートする。
2. 資料から計算した設定値を用いてテストパルスのデータを取得する。
3. Signal delay をずらしながらデータの取得を繰り返し最適値を探る。
ASD テストパルスの発行タイミングは、PP 上に実装された Fine delay と Coarse delayという 2 種類の可変ディレイによって変更することができる。前者は Signal delay と同様の 25/30ns 単位、後者は SLB delay と同様のクロック単位となっていて、各 PP における設定値を細かく設定することで、衝突点からの無限運動量の直線トラックを仮定した場合の TOF、及びケーブル長を反映した信号のエミュレートが行える。この時に注意しなくてはならないのは ASD テストパルスは実際の信号と異なり ASD-PP 間を往復すること、そしてツイストケーブル伝播時の信号の減衰による効果が存在することである。図 4.45 に、信号の減衰の様子を示す。信号がケーブル間を伝播する間にパルスの立ち上がりが甘くな
り、パルスとして認識されるまでの時間に差が生じてしまう。サブナノ秒単位でのタイミ
ング調整なので、このような効果も無視できない。そこで実際に使用しているものと同じ
ツイストケーブルを用いてこの減衰による効果の見積もりを行った結果が図 4.46 である。

図 4.45 ケーブル伝播による信号の減衰の様子 [41]
図 4.46 ケーブル長と減衰効果による遅れ
左が 2.8m ケーブルを伝播後のパルス形、右が 47.3mの関係 [41]

ケーブルを伝播後のパルス形。ケーブルが長くなるとパルスの立ち上がり (下がり) が甘くなっているのがわかる。テストパルスは PP から ASD へ向かう信号、横軸がケーブル長、縦軸が信号の減衰によって生じるパルス認識の遅れである。テストパルスは PP から ASDへ向かう信号、LVDS は ASD から PP へ向かう信号で

LVDS は ASD から PP へ向かう信号である。

ある。

トラックをエミュレートしたテストパルス用のパラメータが用意出来たら実際にデータの取得を行う。前述した通り、SLB では L1A に対して対応するバンチの前後をあわせた

3 バンチ分のデータを読み出しているので、Signal delay を 25/30ns 単位でずらしていくと、どこかで Previous(Next) バンチと Current バンチが入れ替わる。計算によって事前に求めた理論値は、Previous から Current へ移る (Current が立ち上がる) タイミングになる97

ようにしているので、もしこれがずれていたら何らかの問題があることがわかる。図 4.47に理論値と実測値が一致している場合の結果を載せる。理論値に計算間違いがなければ、ケーブル長やコネクタ等に問題があるということになる。実際に、この Signal ディレイ
スキャンによる理論値との不一致から、他の検査で発見できなかったケーブルスワップが複数発見され、修理された。

図 4.47 ディレイスキャン [41]横軸は Signal delay(25/30ns 単位)。絶対値には意味がなく、相対的なディレイ値の差のみを見ている。縦軸は、そのディレイ値の時にテストパルスのヒットのうち、そのバンチに入った数を表す。赤は Preivious、黒はCurrent のバンチに入った数を表す。緑色の縦線が理論的に Current が立ち上がるはずのタイミング。理論値と実際の Current の立ち上がりが一致している。

現在ほとんどの場所で理論値と実測値が一致することが確認されているが、一部の一致
しない場所の原因の一つとして、ASD における閾値電圧の違いが考えられている。ただし閾値電圧は実験開始後も変化する値なので、テストパルスによるエミュレートに組み込
むことはできない。閾値電圧の変化による、タイミングのずれの概念を図 4.48、図 4.49に載せた。

図 4.48 閾値電圧の差による信号認識の時間差[17]

図 4.49閾値電圧の差による信号の立上がりの時間差 [41]横軸で左にいくほど立ち上がりが遅い。閾値電圧が高いほど遅くなる。

98

4.4.2 リードアウトライン試験
リードアウトライン試験は、地上動作試験で行われたテストパルス試験及び宇宙線試
験と同様のことを地下で行い、チェンバーの動作及び、エレクトロニクスの動作を確認した。異なるのは、HPT、SL という本番と同じトリガーモジュールを用いること、L1A
信号は SL→CTP→LTP→TTC と大回りしてから UX15 の SLB に配信されること、そして ASD-PSB 間のツイストケーブル、HSC クレート-USA15 間の光ファイバーの長さの差等、タイミング差を生じさせる要因が大きいことである。タイミングの調整に関しては前述の通りである。また、EI/FI に関しては本番のセットアップではセルフトリガーが発行できないため、ASD テストパルスまでをスタンドアローンで行い、宇宙線試験はビッグウィールと一緒に統合試運転に参加した際などのデータを用いて動作を確認した。図

4.50〜図 4.53 にビッグウィールの宇宙線試験におけるヒットマップの一例を載せる。順に、TGC1 のエンドキャップ、TGC2/3 のエンドキャップ、TGC1 のフォワード、TGC2/3のフォワードである。横軸はチェンバーのチャンネル番号、縦軸はそのチャンネルが鳴ったイベント数である。

図 4.51 TGC1 の Ec のヒット (ストリップ)

図 4.50 TGC1 の Ec のヒット (ワイヤー)
横軸はチェンバーのチャンネル、縦軸はチャンネルが鳴ったイベント数。ただしチャンネルはトリガーセク
ター内で、r が最小となるチャンネルから連続した数字をつけた。緑色の縦線がチェンバー境界を表し、境界上のチャンネルは 2 つのチェンバーに属するためヒット数が多くなっている。上から順にレイヤー 1,2,3。

横軸はチェンバーのチャンネル、縦軸はチャンネルが鳴ったイベント数。ただしチャンネルはトリガーセク
ター内で、r 小側に位置するチェンバーから連続した数字をつけた。チェンバー内では φ 小側から順に番号を振った。緑色の縦線はチェンバーの切れ目を表す。上から順にレイヤー 1,2,3。トリプレットのストリップなのでレイヤー 2 はない。

99

図 4.52 TGC2/3 の Ec のヒット (ワイヤー)

図 4.53 TGC2/3 の Ec のヒット (ストリップ)

横軸はチェンバーのチャンネル、縦軸はチャンネルが横軸はチェンバーのチャンネル、縦軸はチャンネルが鳴ったイベント数。ただしチャンネルはトリガーセク

鳴ったイベント数。ただしチャンネルはトリガーセク

ター内で、r が最小となるチャンネルから連続した数字 ター内で、r 小側に位置するチェンバーから連続した数をつけた。緑色の縦線がチェンバー境界を表し、境界上 字をつけた。チェンバー内では φ 小側から順に番号をのチャンネルは 2 つのチェンバーに属するためヒット 振った。緑色の縦線はチェンバーの切れ目を表す。上から順にレイヤー 4,5,6,7。

数が多くなっている。上から順にレイヤー 4,5,6,7。

図 4.55

TGC2/3 の Fw のヒット (ストリップ)

図 4.54 TGC2/3 の Fw のヒット (ワイヤー)
横軸はチェンバーのチャンネル、縦軸はチャンネルが横軸はチェンバーのチャンネル、縦軸はチャンネルが鳴ったイベント数。チャンネル番号は φ 小側から振っ鳴ったイベント数。チャンネル番号は r 小側から振って ている。上から順にレイヤー 1,2,3。トリプレットのスいる。上から順にレイヤー 1,2,3。

トリップなのでレイヤー 2 はない。

100

図 4.56 TGC2/3 の Fw のヒット (ワイヤー)
横軸はチェンバーのチャンネル、縦軸はチャンネルが図 4.57

TGC2/3 の Fw のヒット (ストリップ)

横軸はチェンバーのチャンネル、縦軸はチャンネルが鳴ったイベント数。チャンネル番号は r 小側から振って 鳴ったイベント数。チャンネル番号は φ 小側から振っている。上から順にレイヤー 4,5,6,7。

いる。上から順にレイヤー 4,5,6,7。

地上試験と同様に、チャンネル欠損や ASD 欠損の発見され、場合によっては 1 つのチェンバーまるごと信号が欠けていることもあり、その都度原因を追究し、エレクトロニ
クス、配線、チェンバーの修理、交換等を行った。その結果新たに発見されたものも含めて、74 チャンネルのチャンネル欠損に抑えることが出来た。これは全 318112 チャンネルの 0.023% に相当し、TGC の目指す検出効率 99% を阻害する大きさではない。

101

4.4.3 トリガーライン試験
SLB テストパルスを用いて、TGC のトリガー用エレクトロニクス (SLB,HPT,SL) が無
限運動量粒子のトラックに対して正しくトリガーを出すことを確認した。SLB テストパ
ルスは任意のパルスパターンを出すことが出来る。よって、TGC3 上の各トリガーサブセ
クター (ROI) 上の適当な 1 点と衝突点を結んだ直線を考えて、直線が TGC1,2,3 を通過する際に対応するチャンネルを求め、そのチャンネルに対応する bit だけを立てるようなテストパルスのパターンを用意することで、擬似的な無限運動量トラックヒットパターンを生成できる。全ての ROI に対してこのようなテストパルスパターンを用意し、トリガー
データと、リードアウトデータを照合することで、TGC エレクトロニクスが衝突点から飛来する粒子に対して正しいトリガーデータを出すことが出来るか確認できる。図 4.58に正しく機能している場合のワイヤーの結果を示す。図中の右上がトリガーデータとリー
ドアウトデータの相関を表したもので正しい相関がとれている。

図 4.58 トリガーライン試験の結果 citesugimotojps
図中の右上がトリガーデータとリードアウトデータの相関を表したもので、縦軸が ROIcolumn 番号 (付録 A.4 参照)、横軸がチャンネル番号。ただしここでのチャンネル番号は r 大側から小さな番号を振って、ROIcolumn と正相関がとれるようにしている。図中左がトリガーデータで、横軸が ROIcolumn 、縦軸がその ROIcolumn のトリガーが出たイベント数。図中下がリードアウトデータで、横軸がヒットのあったチャンネル番号、縦軸がそのチャンネルにヒットのあったイベント数、上からレイヤー 1〜7。

102

4.4.4 コントロールライン試験
レジスタに値を書き込み → 読出し → 値を変更 → 読出しという作業を繰り返し、全てのモジュールの全てのレジスタの全 bit に書き込みが行えるかをチェックした。不調が見つかった場合にはモジュールの交換等が行われた。

4.4.5 LHC ファーストビームのデータ
2008 年 9 月に LHC のメインリング内をビームがはじめて一周した。この記念すべきイベントにおけるビームハローを ATLAS によって捕らえたイベントのディスプレイが図

4.61 である。カロリメータや MDT によって捕らえられた粒子の様子が見て取れる。
また、TGC でもビーム由来のデータをとらえることに成功した。この時のビームは C
サイド側から A サイド側へ向かうビームで、ATLAS の実験ホールの 100m ほど手前でビームを障害物にあてて散乱させるということを行った。そこで生じたビーム由来の粒子
が ATLAS 実験ホールへ到達するタイミングにあわせて ATLAS 全体に L1A を発行してデータを取得した。その図が 4.59 である。横軸がバンチ ID で、縦軸がそのバンチに属するヒットの数である。C サイドのヒットに対して約 4 バンチ (〜100nsec) 遅れて A サイドにヒットが発生しているのがわかる。これは C サイド側の TGC から A サイド側の TGC
への TOF に相当する数字である。それを表すイメージ図が図 4.60 である。
図 4.60

C サイド TGC から A サイド TGC

への TOF[40]図 4.59 LHC ビームによるデータ [40]横軸がバンチ ID、縦軸がそのバンチのヒット数。C サ

光速の粒子がイドに対して A サイドのヒットが 4 バンチ (100ns) 程 C サイドから A サイドの約 30m を飛ぶのに約 100ns
遅れている。

かかる。

103

図 4.61 LHC first beam のイベントディスプレイ [24]

104

第5章

オフラインデータ処理システム
ATLAS のオフラインデータ処理システムに求められる性能は、ATLAS の大量のデータを素早く処理し無駄なく永続的に保存すること、そして世界中の研究者が迅速にデータにアクセス可能であることである。Tier-0、Tier-1、Tier-2 という階層構造を持たせ、Tier-1
以降を世界中に分散させ Grid コンピューティングによってリソースを効率的に共有することでこれを実現している。EF トリガーを通過したイベントの RAW データは、まずTier-0 に送られ、データ処理を挟みつつ Tier-1、Tier-2 と順に下流に流れていく。処理の過程で RAW データからは ESD、AOD といった解析用のデータファイル及び、それらのTAG 情報等が生成され、RAW データと共に保存される。貴重な実験データの破損を防ぐため常に複数個所に同じデータのレプリカを保存する仕組みになっている。Tier-0 は

CERN に、Tier-1 は世界中の主要拠点 10 箇所に作られた。Tier-2 は国単位で 1〜4 箇所程度、全体で 34 箇所となる予定である。この章では、初めにオフラインデータフォーマットの概要及び、オフラインシステムの概要を述べる。次に、Tier-0 上で走る、TGC 用のRAW データデコードプログラムの概要とその開発について述べる。

5.1 ATLAS のデータ保存フォーマット
5.1.1 RAW (ByteStream Data)
各検出器のエレクトロニクスで処理された生データは ROD でまとめられ、規定のフォー
マットで並べられる。これを RAW データと呼んでいる。フォーマットは ByteStream と呼ばれる 0 と 1 のシリアルデータで、特定の 0 と 1 の並びによってデータの始まりを表す
ヘッダーと、終わりを表すトレイラー、及びそれに挟まれたデータ部分からなる。 RAW
データのサイズは 1.6MB/event と見積もられている。EF トリガーを通過したイベントは、

EF 内に 30〜50 個ある SFOs(Sub-Farm Output managers) に適当に振り分けられ、1000 イ
ベント又は 2GB を単位として 1 つのファイルにまとめられる。1 つのファイルができる

105

毎に SFOs は Tier-0 にファイルを送信する。EF での処理順にイベントが割り振られるために、ファイル内の各イベントはトリガーの種類や時系列順にソートはされていない。ただし run の切れ目ではファイルを一旦閉じるため、1 つのファイル内に異なる run のイベ
ントが混在することはない。RAW データは以下の 4 種類のストリームから構成される。

• physics：メインの物理データ (〜260MB/S)• calibration/alignment：キャリブレーションデータ生成用 (45MB/s)• express：HLT、検出器アルゴリズムのチューニング用 (〜6MB/s)• pathological：異常データ (極少量)physics がメインデータで、通常の物理トリガーによるデータである。calibration/alignment
はキャリブレーショントリガーによるもので、よく知られた物理を含んでいる可能性が最も高いイベント群である。メインデータのリコンストラクションの精度を上げるためのキャリブレーションデータを作るのに用いられる。express はハイレベルトリガーや検出器のアルゴリズムのチューニングに用いられる。pathological は EF で異常が検知されたデータの一部を送信するようになっている。

5.1.2 ESD (Event Summary Data)
ESD は RAW データを解読した結果である各検出器におけるヒット情報、トリガー情報のオブジェクトや、それを基に再構成されたトラック情報、エネルギークラスタ情報等のデータを含む。ESD に含まれるデータからは解析者が自身のアルゴリズムを使ってトラックやジェットを再構成することも可能である。POOL ROOT file という複雑な構成をしたフォーマットで、1 つの RAW データファイルに対して 1 つの ESD ファイルが作られる。データサイズは 500KB/event、625MB/file と見積もられている。

5.1.3 AOD (Analysis Object Data)
AOD は ESD からさらに抽象化を進め事象の情報に特化したもので、検出器レベルの情報は含まない。ESD 同様 POOL ROOT file 形式で作られ、データサイズは 100KB/eventと軽い。一般的な物理解析の手法としては、まず AOD にアクセスし必要な物理情報を含むイベントを探し、荒い解析をし、それから必要な場合に ESD、場合によっては後述する RDO のレベルまで遡って詳しい解析を行うという手順とる。そのため、AOD は他のデータと比較して最も頻繁にアクセスされると予想され、目的とする物理チャンネルに属する AOD へ効率的にアクセス可能な仕組みが必要となる。そこで、AOD が作られる際には 10 種類のストリームにグループ分けされ、物理的にクラスター化されて保存される。
実際には物理チャンネルは多様であり 10 種類では足りないのだが、細分化したチャンネ

106

ルに AOD を振り分けていくと、1 つのイベントが複数のチャンネルに属する場合が多々あるために、重複して保存されるイベントが頻繁に生じてしまう。そこで、細かな振り分
けは後述の TAG による分類に託し、ストリームでは、重複の生じない、かつ予測される
アクセスパターンに対してなるべく効率的なグルーピングを模索し、その結果が現在の10 種類の分類となった。AOD は一度 10MB/file 程度の小さな AOD を作った後に、スト
リームを考慮して 50 ファイルを結合し 500MB/file 程度にする。これは細かいファイルが散乱しているとアクセスが遅くなるからである。

5.1.4 TAG
TAG 情報は AOD と同時に生成され、イベントレベルのメタデータとそのイベントに対するポインタからなる。全イベント、ストリーム毎、物理チャンネル毎など、様々なレベルで細分化した TAG のコレクションが作られる。1 つのイベントは複数のコレクションに属するのが通常であり、物理解析を行う際にはこのコレクションを活用することで効率的なデータの収集を行うことが可能となる。データそのものではなくポインタをコレクション化することでリソースの節約を実現しており、データサイズは AOD の 1/100 程度
である。

5.2

オフラインシステムのコンピューティングモデル

ATLAS のオフラインデータ処理システムの構成は Tier-0、Tier-1、Tier-2 と 3 階層になっていて、Tier-0 は CERN のコンピューターファームに実装される。Tier-1 は全世界の主要な拠点 10 箇所に作られ、それぞれが全体の 1/10 程度のデータの保存及び Tier-2
への配信を担当する。Tier-2 は各 Tier-1 の下に複数あり、世界中の研究者へのデータの配信、及びコンピューターリソースの提供を行う。Tier-1 とその傘下の Tier-2 の 1 グループを Cloud と呼んでいる。(図 5.1) この節では、RAW データがオフラインシステム上でどのような流れで処理され、上で述べた ESD、AOD、TAG といったデータが生成されるのかを説明する。

5.2.1 Tier-0
Tier-0 は CERN 内に実装される。図 5.2 に示す通り、Castor、CPU farm、DDMS、T0MSの 4 つのサブシステムからなり、• EF から送られてきた RAW データを迅速にリコンストラクトし ESD、AOD、TAGを生成する。(first pass processing)• RAW データ、first pass リコンストラクトデータを Castor テープに永久保存する。

107

図 5.1 Cloud モデルの概念図 [35]• 下流に位置する 10 箇所の Tier-1 に RAW データ及びリコンストラクトデータを分配する。
といった役割を担う。Tier-0 は CERN 一箇所にしかないので、アクセスの集中を避けるために、Castor 上のデータへのアクセスはは central production group 及び、first-passcalibration group のみに制限される。以下に各サブシステムの役割について述べる。

図 5.2

Tier-0 の全体図 [2]図中に示した数字はデータの転送速度 [MB/s]

1085.2.1.1 Castor
Castor は記憶媒体として一時保存用のディスクと、永久保存用のテープを持っている。Castor は EF の SFOs から送られてきた RAW データファイルをディスクに一時保存し、テープに永久保存する。RAW データを基に Tier-0 の CPU farm において生成された ESD、AOD、TAG ファイルも同様にディスクを経由してテープに永久保存される。
また、DDMS は Tier-1 以下にデータを分配するためにディスクから RAW 及びリコン
ストラクトデータを読み出す。この一連の処理が終了するまでの間、Castor ディスクはこれらの情報を保存しておかなければならない。一秒間に EF から送られてくる RAW
データは 1.6MB/event × 200Hz = 320MB/s、そこから作られるデータが ESD:100MB/s、

AOD:20MB/s、TAG:0.2MB/s で、テープへの書き込みは約 440MB/s となる。一日分のEF からの入力データは最大で約 25TB と見積もられており、ディスク容量は入力用が125TB、アウトプット用が 25TB 確保されている。処理には数日の時間がかかる場合もあるのでディスクに処理待ちの RAW データが溜まる場合もあるが、90% 以上は 2 日以内に処理が終わると見積もられており、5 日分の余裕で十分だと考えられる。

5.2.1.2 CPU farm
キャリブレーションデータ (Conditon DB) の生成、リコンストラクション、TAG DB 生成のジョブが実行される Tier-0 の心臓部である。約 5MSI2k の演算能力を持つ。Castorのディスクからのデータの読み出しは、RAW:320MB/s + AOD:20MB/s + TAG:0.2MB/s =計 340MB/s、書き込みは ESD:100MB/s + AOD:20MB/s×2 + TAG:0.2MB/s = 約 140MB/s
程度が見込まれている。以下、それぞれのジョブの概要を説明する。
■Conditon DB の生成

RAW データの calibration/alignment ストリームを最初にリコンストラクトすることで、メインデータのリコンストラクション用の参照データベースを生成する。このストリームに含まれるのはすでによく知られた物理を含むイベントで、これを解析することで run 毎に異なる細かい補正を与える。
■first pass リコンストラクション

physics、express ストリームのリコンストラクションを行い、ESD、AOD、TAG ファイ
ルを生成する。この際 Condition DB を参照することで、より正確なリコンストラクションを行うことが可能となっている。ジョブは 2 段階にわかれており、初段では 1 つのRAW データファイルに対して 1 つの ESD と 10 個の小さな AOD が作られる。この生成
データは一旦 Castor に戻され、ESD はそのままテープに保存される。AOD 結合ジョブがCastor から小さな AOD ファイルを読み出し、ストリームを考慮して 50 個を 1 ファイル109

にまとめ大きな AOD を作る。この merged AOD は Castor に戻されテープに保存される。
当初の計画では初段では AOD は作らず、Castor から ESD をまとめて読み出して大きなAOD を作るというスキームも考えられていたが、この場合 Castor からの ESD 読み出しに 100MB/s のトラフィックが必要となる。一方現在の方式だと読み出しに余分に必要となるのは AOD の 20MB/s のトラフィックで済む。
■TAG DB の生成
リコンストラクションで生成された TAG ファイルをディスクから読み出し、その run の
全イベントの情報を含んだ TAG DB を生成する。

5.2.1.3 DDMS (ATLAS Distributed Data Management System)
DDMS は Tier-1 へのデータの分配を行う。ディスクから読み出した RAW データ及び、
ESD、AOD、そして TAG DB を 10 箇所の Tier-1 に分配する。RAW データはそれぞれ全体の 1/10 程度を均等に各 Tier-1 に、ESD は 1/5 を各 Tier-1 に、AOD 及び TAG は全
データが全ての Tier-1 にコピーされる。よって必要なトラフィックは、RAW:320MB +ESD:100MB/s×2 + AOD:20MB/s×10 + TAG:0.2MB/s×10 = 約 720MB/s と見積もられる。
5.2.1.4 T0MS (Tier-0 Management System)
T0MS は名前の通り、Tier-0 におけるオペレーションの管理を行う。CPU farm で行われる各種のジョブや、Castor から DDMS へのデータ転送の実行の順番やタイミングを管理してパフォーマンスを最適化する。

5.2.2 Tier-1
Tier-1 は世界の大規模計算機センター 10 箇所に実装される。表 5.1 に一覧を示す。その役割は以下の通り。

• RAW データ及び first pass リコンストラクションデータの保存。
• RAW データからの再度のリコンストラクション (reprocessing)、その結果の保存。
• Tier-2 への AOD 及び TAG DB の分配。
• Tier-2 で作られたシミュレーションデータの保存、Cloud 内のファイルカタログ、
Condition DB の管理、提供。
1 箇所の Tier-1 には全 RAW データの 1/10、全 ESD の 1/5、全 AOD 及び TAG DB が保存される。自己が保存する ESD のさらに半分、正味全体の 1/10 に対して保存の主要な責任を負い、残り半分は他の Tier-1 のバックアップとなる。主要な責任を負う 1/10の ESD は、自身が保存する 1/10 の RAW データと対応した ESD となる。残りの半分

110

は他の Tier-1 が主要な責任を負い、そのバックアップとしてデータを保存する。最初のreprocessing はデータが取得されてから数ヵ月後に行われることになっており、この際には、calibration/alignment ストリームだけでなく、first pass で生成された physics ストリームの ESD もキャリブレーションに用いて、より精度の高いリコンストラクションを目指す。以後は毎年、前年までのデータを用いたキャリブレーションデータと最新のアルゴ
リズムを用いて reprocessing を繰り返す予定である。なお、2008 年 12 月には、2008 年の 10 月に取得された宇宙線データに対して最初の reprocessing が実行された。最新のリコンストラクションによる ESD、AOD、TAG DB は Tier-1 上のディスクに保持され、迅
速なアクセスが可能であることが要求される。一方、RAW データ及び古いバージョンの ESD、AOD、TAG DB は Tier-1 のテープ上に永久保存され、アクセス速度は遅くなる。Tier-1 のデータへのフルアクセスは ATLAS の各グループの production manager 及びcentral production group の reprocessing 担当班のみに制限される。

5.2.3 Tier-2
Tier-2 は比較的大きな計算機資源を持つ大学や研究所等に実装され、解析の拠点となる。現在は国単位で 1〜5 箇所程度、全体で 37 箇所ある。シミュレーションデータの生
成、データの解析のためのリソースの提供、解析グループへの AOD と TAG のアクセスの提供を役割とする。AOD は Cloud 内でフルデータを保持するように Tier-2 間で分散保持し、TAG は全ての Tier-2 がフルデータを保持する。一部の Tier-2 では少量の RAW
データ及び ESD もコード開発用に保持する。また、細かい物理解析の目的毎に AOD から引き出した DPD(Derived Physics Data) も Cloud 内で管理され Tier-2 で保持される。図5.4、図 5.3 に日本の東京大学 ICEPP にある Tier2 の写真を示す。表 5.2 に 2008 年末時点の Tier2 の一覧を示す。

図 5.4 ICEPP Tier-2 のテープライブラリ
図 5.3 ICEPP Tier-2 の CPU farm[35](テープの集合体)[35]111表 5.1 2008 年末時点の Tier-1 一覧 [34]

CPU[MSI2K]

DISK[PB]TAPE[PB]

カナダ

1.06

0.62

0.4

CC-IN2P3

フランス

3.02

1.76

1.15

FZK

ドイツ

2.4

1.44

0.9

CNAF

イタリア

1.76

0.8

0.67

NDGC

北欧

1.46

0.62

0.62

SARA

オランダ

3.05

1.78

1.16

PIC

スペイン

1.2

0.72

0.45

ASGC

台湾

1.87

0.83

0.71

RAL

イギリス

1.57

0.89

1.03

BNL

アメリカ

5.3

3.09

2.02

22.69

12.55

9.11

研究所名

国

TRIUMF

Total

112

表 5.2

研究所名Tier-2 一覧 [34]

国

研究所名

国

University of Melbourne

オーストラリア

Grid London

イギリス

UIBK Innsbruck

オーストリアNorth Grid

イギリス

Beijing LCG2

中国

Scot Grid

イギリス

FZU AS

チェコSouth Grid

イギリス

CC-IN2P3 AF

フランス

Boston/Harvard ATLAS T2

アメリカ

France GRIF Paris

フランス

Southwest ATLAST2

アメリカFrance LPC Clermont-F

フランス

Midwest ATLAST2

アメリカ

LAPP Annesy

フランス

Grate Lakes ATLAS T2

アメリカ

LIP

ポルトガル

SLAC ATLAS T2

アメリカ

DESY

ドイツ

Brazilian Tier-2 Federation

ブラジル

Freiburg University

ドイツ

Taiwan Analysis Facility Federation

台湾

Wuppertal University

ドイツ

Russian Federation RDIGロシア

ATLAS Federation Munich

ドイツ

ATLAS Federation

スペイン

INFN-Tier-2 Federation

イタリア

HEP-IL Federation

イスラエル

日本

East Tier-2 Federation

カナダ

Polish Tier-2 Federation

ポーランド

West Tier-2 Federation

カナダ

Romanian Tier-2 Federation

ルーマニア

SIGMA

ノルウエイ

CSCS

スイス

SNIC

スエーデン

SiGNET

スロベニア

ICEPP

113

5.2.4 オフラインシステムにおける処理の流れ
オフラインシステムにおけるデータ処理の流れを時系列で簡単に示す。図 5.5、図 5.6には、Tier-0、Tier-1 におけるデータの流れのイメージ及び、想定されるデータ量を示した。

1. RAW データが EF の SFOs から Tier-0 の Castor ディスクへ送られ、テープに永久保存される。

2. DDMS を通して RAW データが Tier-1 にコピーされる。
3. calibration/alignment ストリームから Condition DB が作られる。
4. Tier-0 で express ストリームのリコンストラクションが行われ、結果は Castor へ。
5. Tier-0 で physics ストリームのリコンストラクションが行われ、結果は Castor へ。
6. DDMS を通して first pass ESD が Tier-1 にコピーされる。
7. DDMS を通して first pass AOD が Tier-1 にコピーされる。
8. AOD が Tier-1 から Tier-2 へコピーされる。
9. DDMS を通して TAG DB が Tier-1 にコピーされる。
10. TAG DB が Tier-1 から Tier-2 へコピーされる。
11. 定期的に Tier-1 において reprocessing が行われる。
12. 新バージョンの AOD と TAG が Tier-2 にコピーされる。
13. 旧バージョンの ESD や AOD は Tier-1 のテープ上のみに保存され、ディスクから消去される。

114

図 5.5 Tier-0 のデータの流れ [34]図 5.6 Tier-1 のデータの流れ [34]

115

5.3

オフラインソフトウェアの概要

ATLAS のソフトウェアは Athena という C++ と python をベースとしたフレームワー
クで開発されている。ATLAS のような大規模実験では、保存されるデータの型やそれを作る仕組みが長期間にわたって、容易にメンテナンス可能あることが求められる。それを満たすために各検出器グループ間やシミュレーショングループ間でコードシェアを行い、クラスの共有や継承をしている。例えば、電磁カロリメータとハドロンカロリメータでは RAW データの段階ではデータの型は全く異なるが、そこから作られる Calo Cell, CaloTower, Energy Cluster といったデータオブジェクトは型を共有しており、それらを処理するアルゴリズムも共通である。他にも、内部飛跡検出器と MDT でトラックオブジェクトの基本型を共有し、トラッキングのアルゴリズムも一本化している。図 5.7、図 5.8 にそれぞれのトラックオブジェクトの成り立ちを示す。TrkPrepRawData という基本となるトラック型を共有しているのがわかる。

図 5.7

内部飛跡検出器のトラックオブジェ

図 5.8 MDT のトラックオブジェクトクラ
スの成り立ち [24]クトクラスの成り立ち [24]5.3.1 ソフトウェアのバージョン管理
ATLAS で使われるソフトウェアは CVS(Concurrent Versions System) を使ってバージョン管理される。関連するソフトウェアをまとめたものはプロジェクトと呼ばれ、公式なリ
リースのバージョンアップはプロジェクト単位で行われる。プロジェクトには様々な依存関係があるが、同じバージョンのプロジェクトを利用すれば動くようにバージョンは管理される。図 5.9 にプロジェクトの依存関係を示す。(オンラインソフトウェアも含む) 例え
ば AtlasProduction 13.0.30 は、AtlasAnalysis 13.0.30 に依存しており、AtlasProduction の14.0.0 を作りたい時は同時に依存する AtlasAnalysis にも 14.0.0 を用意する必要があり、各プロジェクトの開発グループ間で連携をとってアップデートを進めていかねばならな
い。プロジェクトの中で各ソフトウェアはパッケージ、サブパッケージとさらに細かいグルーピングがされ、同様にプロジェクト内でも連携をとってアップデートを進めていく。

116

Tier-0 で行われる first pass processing に用いられるデコード及びリコンストラクションのソフトウェア群は AtlasTier0 というプロジェクトで管理され、Tier-1 で行われる

reprocessing に用いられるものは、AtlasProduction プロジェクトで管理される。中に含まれるパッケージ等の構成は共通であるが細かい点で各コードの中身が異なり、特にAtlasTier0 プロジェクトはなによりも安定性が重視される。これは Tier-0 のプロセスで処理が止まると検出器からのデータがロストする恐れがあるためである。

図 5.9 ATLAS のプロジェクトの依存関係 [36]
紫の AtlasProduction,AtlasTier0,AtlasP1HLT が最前線のプロジェクト。HLT はオンライン DAQ のトリガーを司るプロジェクト。

5.4

オフラインデコードの流れ

実験の実データは RAW → RDO → PRD → ESD → AOD と変換される。またシミュレーションによる生成データは RDO レベルで統合され、以後の流れは実データと共通である。ここではまず RDO と PRD という中間のデータフォーマットと、シミュレーショ
ンデータの流れについて説明する。次にミューオンスペクトロメータのデコードの流れについて説明する。

117

5.4.1 RDO (Raw Data Object)
Byte Stream フォーマットの RAW データを読み取り、各検出器におけるヒット情報やトリガー情報をオブジェクト化したものが RDO である。それぞれのオブジェクトの持つデータは検出器によって様々であるが、エレクトロニクスのモジュールやチップの ID や
チャンネルの番号付けなど、ByteStream 上の数値がそのまま入っている。オブジェクトの構成は各検出器のモジュールの構成等を反映するため、それぞれ大きく異なる。そのため、システムのコミッショニングには RDO レベルの情報が非常に有用である一方、その検出器システムに精通していないと理解が難しい。

5.4.2 PRD (Prepared Raw Data)
RDO の情報からさらに抽象化を進め、ヒットやトリガーの位置座標や、どのチェンバー
上の情報かなど、よりグローバルな人々が理解できる形に直したデータである。そのためオブジェクトの型には各検出器グループ間で取り決めた、ある程度の制約がある。ESDには PRD レベルの情報は全て含まれることになっている。その他の ESD に含まれる情報は、リコンストラクションによって得られたトラック情報やカロリメータのエネルギー
クラスタ情報、そしてイベントのタグ情報等である。

5.4.3 シミュレーションデータ生成の流れ
図 5.10 にシミュレーションの場合のデータの流れを示す。初めにイベントジェネレー
タ (pythia や single particle gun がよく使われる) によって粒子のデータ (MCTruth) を生成する。このデータを Geant4 を用いて ATLAS 検出器との相互作用の物理シミュレー
トを行う。シミュレーションの大半の時間はここに費やされ、ATLAS のジオメトリを様々に変化させた複数通りのシミュレーションが行われている。次に、相互作用シミュ
レーションの結果の物理データを、ATLAS の各検出器システムの出力に変換するディジ
タイゼーションを行う。この段階のデータ (Digit) は実データの RDO に対応し、以降のPRD→ESD→AOD という処理は実データと全く同様に行われる。またフルシミュレー
ションは時間がかかるため、MCTruth から直に AOD を作る Fast シミュレーションが用意されている。

5.4.4 ミューオンスペクトロメータのデコードの流れ
図 5.11 にミューオンスペクトロメータの RAW データからのデコードの流れを示す。
図の左側がシミュレーションデータ、右側は実データである。各検出器のデータの変換は118

図 5.10 シミュレーションデータ生成の流れ [38]

独立に行われるが、出力は同じファイルにまとめて格納される。ByteStream から RDO への変換は ByteStreamConverter によって行われる。ByteStreamConverter はヘッダーやトレイラーを見つけると、その間の検出器データをフォーマットに従い読み取って数値化し、RDO オブジェクトの変数に代入する。こうして出来た RDO オブジェクトは Collection
化され Container に入れられる。次に RDOToPRDConverter は、これらの Container を呼び出して、各検出器毎に RDO の変数から PRD の変数の値を計算して PRD オブジェクトを作り同様に Collection 化して Container に格納する。この際、各検出器とそれらの読み
出しシステムの配線を反映した Cabling Service が用いられる。例えば、エレクトロニク
スの X 番のモジュールの ID：Y のチップは検出器上のチャンネル Z に対応するというような関係がある時、(X,Y) ⇔ Z の相互変換が Cabling Service の持つ関数を利用するだけで可能である。MDT のみ、BS から PRD へ直接変換され、Condition DB を参照したリ
コンストラクションが行われ、Moore や Mboy といった異なるアルゴリズムを用いたトラッキングが行われる。図のところどころで右側の AANtuple への出力があるが、これはAthena Aware Ntuple というフォーマットの略で、各段階での情報を AANtuple 形式で出
力してやることで、プログラムのデバッグを行う。AANtuple は root の入力として直接読みこませるが可能なため頻繁なデバッグに適している。PRD 及びトラック情報は ESD にそのまま格納される。

119

図 5.11 RAW データから PRD までの流れ [37]5.5 TGC オフラインデコードソフトウェアの概要
この節では、以下の TGC データのオフラインデコードプログラムについて述べる。

• その際に使用される”TGCcablingInterface”, ”TGCcabling12”, ”TGCcabling”• RAW→RDO→PRD の変換を行う”MuonTGC CnvTools”• デバッグやキャリブレーションのために AANtuple へ TGC の RDO や PRD を格納する”MuonCommAlgs”• RDO オブジェクトを定義する”MuonRDO”• PRD オブジェクトを定義する”MuonPrepRawData”,”MuonTrigCoinData”
ミューオン全体のパッケージである MuonSpectrometer は、Cabling や Converter 等の役
割毎にサブパッケージとして分類され、サブパッケージがさらに階層構造を持つ場合もある。プログラムはいずれかのパッケージに属し、その中の他のプログラムと共にバージョン管理される。また各プログラム自体も複数のコードからなるため、プログラム内でも足並みを揃えたバージョン管理が必要である。図 5.12 にパッケージ構成を示す。

120

図 5.12 TGC デコードプログラムのパッケージ構成

5.5.1 Cabling Service
ATLAS のような大きな検出器になると、読み出しチャンネルが膨大になり、当然それらのチャンネルの信号を処理するエレクトロニクスの数や種類も膨大な数に及ぶ。例えば

TGC だけでも 30 万を超える読み出しチャンネルがあり、使用されるエレクトロニクスモ
ジュールは主要な 5 種だけでも合計 3 万個近い。さらにそれらモジュール間の配線は非常に複雑なものになり、特定のチャンネルからの信号の流れを追うのには大変な労力を要し、間違いも生じやすい。そこでこれらの配線やジオメトリを考慮したデータベースを作り、読み出しチャンネルとエレクトロニクス系の ID 情報の対応を即座に正確にとれるようにした。配線やジオメトリのデータベースを一箇所に集中することでメンテナンスも容易となるメリットもある。この実装が Cabling Service である。TGC 部分は以下の 3 つのプログラムからなる。

1. TGCcablingInterface
名前の通り TGC の Cabling Service を使用する際の窓口となるベース部分である。

2. TGCcabling12
現在の 1/12 セクターに基づく 12 回対称性の配線を考慮した CablingService の本体部分。実データでは基本的にこちらを使用する。

121

3. TGCcabling
過去の 8 回対称性の配線を考慮したもの。シミュレーションでは長らくこちらが使用されてきたが 2008 年後半から徐々に 12 回対称性への移行準備が整ってきた。

5.5.1.1 OfflineId
Cabling Service では OfflineId という ID が用いられる。OfflineId は、チェンバー上の1 つのチャンネルに対して 1 つ割り振られ、TGC の 30 万以上あるどのチャンネルの間でも重複することはない。Cabling Sevice の関数を用いると、OfflineId から、そのチャンネ
ルの信号読み出しシステム上にある全てのエレクトロニクスの ID を得ることができる。
また逆に、チャンネルを 1 つに特定するのに十分なエレクトロニクスの ID の集合があれば、それらから OfflineId を求めることも出来るようになっている。エレクトロニクスのID の集合は、組合せによって ReadoutId や HighPtId などと呼ばれる。これについては、
MuonRDO クラスについて説明するところで後述する。

5.5.2 MuonTGC CnvTools
RAW→RDO→PRD の変換を行うのがこのプログラムである。図 5.13 にクラスの構成を示す。RAW→RDO を担う、ByteStreamConverter 部分と、RDO→PRD を担う

RdoToPrdConverter 部分からなる。
5.5.2.1 ByteStreamConverter
TGC の RAW データは、SSW 及び ROD において、決められたフォーマットに従ってヘッダーとトレイラーを付けて並べられた ByteStream データである。ByteStreamConverter
はヘッダーを起点にして何番目の bit を読めば何の数値が入っているかを知っているた
め、RAW データの特定 bit を切り出して読み取り、それを RDO オブジェクトの変数へ代入していく。なお、TGC には現在 RAW データのフォーマットが 2 種類存在している。
「Readout」フォーマットと、「RawData」フォーマットである。これは ROD が未完成であるための暫定的な処置で、最終的に ROD が完成すれば Readout フォーマットのみが使用される予定である。しかしながらコミッショニングのために正しいデータが必要なので、現在は SSW からの出力にヘッダーとトレイラーを付けただけの RawData フォーマッ
トも同時に出力させている。両フォーマットへの対応は 2 種類の「TGC RodDecorder」(Readout 用) と「TgcROD Decorder」(RawData 用) というコードを、ジョブオプションによって切り替えて使い分けることで実現している。Readout フォーマットの出力にはバグがあるため、本論文も含め、検出器のコミッショニングに用いているのは全て RawData
フォーマットデータをデコードしたものである。

122

5.5.2.2 RdoToPrdConverter
RDO オブジェクトのコンテナを呼び出して、RDO の変数から PRD の変数を計算してPRD オブジェクトの変数に代入する。この際には、Cabling Service がフルに活用される。
TGC における実装のメインは TgcRdoToPrepDataTool というコードである。このコードのアルゴリズムについては後に述べる。

図 5.13

MuonTGC CnvTools のクラス図 [37]5.5.3 MuonCommAlgs
Converter によって作られた RDO、PRD のコンテナを呼び出して、イベント内の RDO、
PRD オブジェクトに対してループさせその変数を AANtuple に格納するという役割を持
つプログラムである。TGC 部分は TgcPrepRawDataNtuple というコードが受け持つ。このコードをいじることで、どの変数を AANtuple に格納するかを変えることができる。

AANtuple はデバッグやキャリブレーションに用いられる。公式リリースでは PRD 変数のみを入れるようにしているが、後に述べる RdoToPrdConverter のローカルのデバッグ作業の際には、RDO と PRD の変数を比較するために RDO の情報も入れるように変更して
用いた。

123

図 5.14 MuonCommAlgs のクラス図 [37]5.5.4 MuonRDO
ミューオンの RDO の型はここで定義される。図 5.15 にクラスの構成を示す。

図 5.15 RDO のクラス図 [37]

TGC の RDO の型を定義しているのはこの中の TgcRawData というコードである。付
録 A.2 に TGC の RDO の持つ変数の一覧を示す。表に示した通り、TGC の RDO には

hit、tracklet、highpt、sl の 4 タイプが存在している。まず共通の変数について説明する。

124

• bcTagSLB は L1A を受け取りパイプラインバッファからデータを読み出す際に、対応バンチの前後 1 バンチと合わせ 3 バンチ分読み出すが、「bcTag」はその 3 バンチを識別するための値である。L1A 対応バンチが Current、時系列で 1 つ前が Previous、

1 つ後が Next である。
• l1IdTGC の PSB でカウントしたレベル 1 トリガー信号の番号。ECR(Event Counter
Reset) 信号を受け取るとカウントは 0 に戻る。
• bcIdTGC の PSB でカウントしたバンチの番号。ビームがメインリングを一周するのにかかる時間が約 89µ s で、バンチ間隔は 25ns なので、メインリング一周分で約3500 バンチが存在しうる。リング一周に同期した BCReset 信号によってカウント
が 0 に戻るため、取りうる数値は 0〜3500 程度。

• subDetectorId
ATLAS の各検出器毎に割り振られた ID で、TGC の A サイドは 103、C サイドが104 となっている。
• rodId
ROD は 1/12 セクターに 1 つずつ割り当てられるので片サイドに 12 個あり、それぞれが 1〜12 の ID を持つ。
以下で各タイプについて説明する。

5.5.4.1 hit
TGC の SLB リードアウト系の出力データ (付録 A.5 参照) をもとに作られる。SLB のリードアウト出力 200bit のうち、40-199bit が 1bit ずつ検出器の 1 チャンネルに対応しており、hit があれば bit が立つ。立っている bit1 つにつき、1 つの hitRDO が作られる。例
えば 50bit 目、60bit 目に対応する 2 つのチャンネルに hit があった場合、2 つの RDO が作られ、それぞれのオブジェクトの変数「channel」には 50、60 という数値が代入される。

• sswId
その信号が通ってきた SSW の ID。BW は 1/12 セクター毎に 8 枚、EI/FI は片サイドで 4 枚の SSW が用いられる。1/12 セクター内で SSW の区別がつくように 0〜

8 の ID が割り振られる。
• slbId
SLB の ID は 0〜9 までしかないのでそのままでは 1 つの SSW につながる SLB のID に重複が生じてしまう。そこで SSW 内での重複が生じないように割り振られ125

たのが sbLoc という ID である。

• slbTypeSLB がどのタイプのチェンバー用のものか。
• adj
隣り合うワイヤー領域をカバーする SLB 同士は、コインシデンスを取る都合上、端の数チャンネルを共有している。よってその領域のチャンネルに hit があると 2
つの SLB の bit が立ち、RDO が 2 つ作られてしまう。そこで hit オブジェクトを重複してカウントしないように片方の SLB では adjacent というタグを付けてやる。
現在は adjacent のオブジェクトは RDO→PRD の変換を行わないようにしている。

• channel
上述の通り、その SLB が受け持つ最大 160 チャンネルのうち、どのチャンネルの

hit かを表す。
■ReaoutId

subDetectoerId、rodId、sswId、sbLoc、channel、adjacent の 6 つをあわせて ReadoutId と呼ぶ。これらの情報を合わせると、「A サイドの、セクター 2 の、SSW4 に繋がる、sbLoc0の SLB の担当する、68bit 目」は、「φ 4、EWD レイヤー 7 の r 最大のチャンネルである」と 30 万以上あるチャンネルから 1 つに絞り込めるようになっている。Cabling Service の「getReadoutIDfromOfflineID」関数、「getOfflineIDfromReadoutID」関数を用いて OfflineIDとの相互変換が可能である。

5.5.4.2 tracklet
TGC の SLB リードアウト系の出力データをもとに作られる。SLB のリードアウト出力 200bit のうち、0-39bit 目には SLB でのコインシデンスの結果が出力される。トリプ
レットワイヤーは 1 つの SLB から最大 3 個、トリプレットストリップは最大 8 個、その他は最大 2 個のコインシデンス情報が含まれる。なお、trackletRDO 自体は全ての SLBから作られるが、PRD へ変換されるのはダブレットの SLB のもののみである。コインシ
デンス情報では検出器のチャンネル単位よりも細かい trgch という単位で位置情報を与える。これは、ダブレットであれば 2 層のスタッガリングにより 1/2 チャンネル、トリプ
レットワイヤーであれば 3 層による 1/3 チャンネルの単位に相当する。

• delta
TGC2 と 3 のヒット間の位置のずれ (trgch 単位)。ワイヤーでは、数値が正ならば、TGC3 のヒットに比べて、TGC2 のヒットが η 大 (r 小) にずれている。ストリッ
プでは少々複雑な関係にあり、A サイド F タイプチェンバーと C サイド B タイプ
チェンバーでは、delta 正ならば TGC2 のヒットが φ 大側にずれている。C サイド

126

F タイプチェンバーと A サイド B タイプチェンバーでは、delta 正ならば TGC2 のヒットが φ 小側にずれている。ワイヤーのオブジェクトでは-7〜7、ストリップのオブジェクトでは-3〜3 を取る。これはダブレット用 SLB のコインシデンスウィ
ンドウの大きさに対応している。

• seg
トリプレットストリップは 1 つの SLB で 2 層 ×64 チャンネルを扱うため、32 ず
つにわけて TRIGA(seg=0)、TRIGB(seg=1) と区別している。

• sub
slbsubMatrix と呼ばれる。1 つの slbsubMatrix からは 1 イベントで 1 つのコインシ
デンス情報しか出てこない。複数のヒットがあった場合デクラスタリングが行われる。また、1 つの slbsuubMatrix は 32trgch からなる。

• rphislbsubMatrix 内のどの trgch でコインシデンスがとれたかという情報。TGC3 上の値。
■LowPtCoincidenceId

subDetectoerId、rodId、sswId、sbLoc、slbsubMatrix、rphi のセットをこう呼ぶ。ReadoutId 同
様に Cabling Service の「getOfflineIDfromLowPtCoincidenceID」関数等を用いて OfflineIdとの相互変換が可能である。TGC2 と 3 は trackletRDO では 1 つのオブジェクトにまとめられるため、LowPtCoincidenceId から OfflineId を求める時は「middle」というオプションで、true なら TGC2、false なら TGC3 の OfflineId を求めるように選択できる。

5.5.4.3 highpt
SLB のトリガー出力は HPT ボードを経由して SL に届く。HPT の出力は SL でのコイ
ンシデンス処理結果と共に SL の SLB から出力される。highptRDO は SLSLB の出力をもとに作られる。HPT では位置情報を ROI 単位で扱う。なお、現在は hipt=1 の RDO のみを PRD へ変換している。

• strip/forward
経由した HPT がワイヤー or ストリップ、エンドキャップ or フォワードのいずれのタイプか。

• sector
1/12 セクター内のどのトリガーサブセクターのトリガー情報か。
• chip
HPT ボードの何番目のチップを通ったか。
• index1271 つの HPT チップから最大 2 つのトリガー候補が出るが、その 1 番目か 2 番目か。
• hipt対応する TGC1 と TGC2/3 のコインシデンスがとれたものは 1、TGC2/3 でしかとれなかったものは 0。

• hitId
HPT チップ内が 6 個のマトリックスに分けられていて、そのうちのどのマトリックスを通ってきたか。

• sub
6 個のマトリックスの中はさらに上半分下半分の hptsubMatrix にわかれる。0 が上、1 が下に対応する。hptsubMatrix1 つが ROI1 つに対応する。

• delta
hipt=1 の場合は、TGC1 と TGC2/3 の間の位置のずれ (trgch 単位)。ワイヤーで-15〜15、ストリップで-7〜7 をとる。これは HPT におけるコインシデンスウィンドウの大きさに対応している。注意点として絶対値の大きいところでは delta は trgch の差分そのものの値を表さない。ワイヤーの 11 ≤ |delta| は、trgch 差 12, 14, 16, 18, 20に、ストリップの 5 ≤ |delta| は、trgch 差 7, 9, 12 に対応する。hipt=0 の場合は、SLB から来た TGC2 と 3 の間の位置のずれがそのまま入っているのでワイヤー
で-7〜7、ストリップで-3〜3 をとる。
■HighPtId

subDetectorId,rodId,strip,forward,sector,chip,hitId,hptsubMatrix のあわせると TGC3 上のどの ROI から来た情報かを特定できる。このセットを HighPtId と呼ぶ。ただしワイヤーなら r 方向、ストリップなら φ 方向の ROI 判別しかできない。Cabling Service の「getOfflineIDfromHighPtID」関数等を用いて、OfflineId との相互変換が可能である。ただし、HighPtId 側から OfflineId を求める時は、ROI(概ね 8 チャンネル分に相当) までしか特定できないので、Cabling 関数では ROI の中心のチャンネルの OfflineId を取ってくるようになっている。
■SimHighptId ソフトウェア開発の初期段階では highptId は少し異なる構成をしていた。これを SimHighPtId と呼ぶ。シミュレーションで生成される Digit に含まれるオブジェクトが持つのは現在でも SimHighptId のままである。また、現在でも Cabling

Service の各関数の入出力も SimHighptId のままである。そこで実データで関数を用いる際に、HighPtId ⇔ SimHighptId の変換が必要となる。これは Cabling Service の「getRDOHighPtIDfromSimHighPtID」、「getSimHighPtIDfromRDOHighPtID」によって実
装された。

128

■エンドキャップストリップの HPT のバグ
エンドキャップストリップの HPT ボードにバグが発見されており、chip=1 の、hitId=5,6の出力が、hitId=3,4 になってしまうことがわかっている。しかし HPT ボードはすでに地下実験ホールにインストール済みで、このバグを修正するにはチップの再生産が必要となるため修復は断念された。そこで、妥協案として該当 HPT ボードで chip=1,hitId=3,4 の出力があった際に、chip=1,hitId=5,6 のオブジェクトも同時に作るようにした。この場合、highptRDO が余分に作られることになるが、不要なイベントをトリガーしてしまう可能性よりも必要なイベントを漏らさないことを優先した。

5.5.4.4 sl
SL において HPT からのワイヤーとストリップの入力のコインシデンスをとった情報をもとに作られる。LUT を用いた 6 段階の pT の判別が行われ、1 つの SL からはより大きな pT を持つ最大 2 つの sl トリガー情報が出力される。

• index
2 つの sl トリガー候補のうち 1 番目か 2 番目か。
• muplus
粒子の電荷の正負。

• threshold
6 段階のうちどの pT 閾値を超えたのか。
• roi
TGC3 上のどの ROI からのトリガー情報か。
■SlId

subDetectorId,rodId,sector,roi,forward から ROI を特定し、ワイヤー、ストリップ双方のOfflineId を得ることが出来る。ただし、Cabling 関数で得られるのは ROI の真ん中のチャ
ンネルの OfflineId である。

5.5.5 MuonPrepRawData/MuonTrigCoinData
TGC の PRD の型はこれらで定義される。PRD にも同様に hit,tracklet,highpt,sl の 4 タ
イプがあり、hit は MuonPrepRawData の中の TgcPrepData で、残りは MuonTrigCoinDataの中の TgcCoinData で定義される。図 5.16、A.1 にそれぞれのクラス構成を、付録 A.3には変数の一覧を載せた。
各タイプの PRD は対応する RDO の情報をもとに作られる。PRD は必ず OfflineId を 1
つ以上持っていて、その OfflineId は RDO の ReadoutId や HighptId 等から Cabling Service

129を通して得たものである。また、OfflineId とセットで対応する TgcReadoutElement へのポインタも持っている。TgcReadoutElement とは TGC のチェンバー 1 枚に対応したオブジェクトであり、これと OfflineId を組み合わせることで ATLAS のグローバルな座標系
における位置情報を得ることが可能である。

tracklet,highpt,sl の持つ trackletId という数値は、1 つのイベント内でそこからは最大 1つのトリガー情報しか出さないという単位にチェンバーの領域をわけて ID を振ったものである。具体的にはこの単位は slbsubMatrix が対応する。この値を使うと、同じイベン
ト内で同じ trackletId を持つ trackletPRD、highptPRD、slPRD は同じ hit を起源とするものであるという対応がとれる。

図 5.16 ヒット PRD のクラス図 [37]図 5.17 トリガー PRD のクラス図 [37]以下で各タイプについて簡単に説明する。

5.5.5.1 hit
hit に対応したチャンネルの OfflineId を持つ。オブジェクトとして持つ位置情報 locpos
は TgcReadoutElement 内でのローカル位置座標 (チェンバーの中心を 0 とした 2 次元座標系) だが、Cabling Service を通してグローバルな 3 次元デカルト座標に変換可能である。
また、その他の基本的な情報 (Ec/Fw, トリプレット/ダブレット, トリガーセクター番号、
レイヤー、チェンバー内でのチャンネル番号等) はやはり Cabling Service の TgcIdHelper

130というクラスを通して OfflineId から得ることができる。

5.5.5.2 tracklet
現在はダブレットの trackletRDO からのみ作られ、トリプレットの RDO からは作らない。TGC2 の hit と、TGC3 の hit に由来するコインシデンス情報なので、それぞれの hitに対応した 2 つの OfflineId を持つ。同様に位置情報やチャンネル幅もそれぞれ 2 つずつの値を持つ。delta の値は RDO のものがそのまま入る。

5.5.5.3 highpt
現在は hipt=1 の highptRDO からのみ作られる。TGC1 と TGC2/3 の hit からのコインシデンスであり、TGC1 と TGC3 の hit に対応した OfflineId を持つ。ただし ROI レベル
での位置情報しか持たないので OfflineId は ROI の中心のチャンネルのもので代表する。
位置座標も同様である。ただし Width という変数はそのチャンネルの幅ではなく、そのROI の幅である。delta の値は RDO のものがそのまま入る。
5.5.5.4 sl
全ての slRDO が PRD に変換される。ワイヤーとストリップのコインシデンス情報であり、ワイヤーとストリップそれぞれの OfflineId を 1 つずつ持つ。この OfflineId は対応する ROI の中心にある TGC3 のチャンネルで代表する。roi と pt には RDO の roi とthreshold の値がそのまま入る。errMat は現在は位置座標のエラーではなくて、ROI の幅がそのまま入っている。

131

5.6 TgcRdoToPrepDataTool の開発
この節では、TGC の RDO→PRD の変換を担う TgcRdoToPrepDataTool というクラスの開発について述べる。

5.6.1 要求される役割
Converter として、hit,tracklet,highpt,sl の RDO を正しく過不足なく PRD へ変換できる
ことはもちろんだが、壊れたデータを入力しても正しくエラーメッセージを出して処理を終了出来、途中で止まらないことは最重要である。このプログラムは Tier-0 で走るので、もし処理の途中でスタックしてしまったら他の検出器も含めて ATLAS 全体に多大な損害を与える可能性があるためである。そのため、何か処理を行うたびに、想定外の数値を検出したらエラーを吐いて次の処理に進むような分岐を挟むよう心掛けた。
クラスの持つ主要なメソッドは「decode]、「decodeHits」、「decodeTracklet」、「decode-

HiPt」、「decodeSL」の 5 つである。decode は、RDO のコンテナを読み込んで、イベント毎に全ての RDO に対してループし処理を行う。トリプレットの trackletRDO や、hipt=0の highptRDO に大して変換を行わないという設定はここで行っている。読み込んだ RDOのタイプに従って decodeHits、decodeTracklet、decodeHiPt、decodeSL の各メソッドを呼び出して実際の変換を行う。以下では、実際の変換を担うメソッドのアルゴリズムについて簡単に説明する。

5.6.2 アルゴリズム
5.6.2.1 decodeHits
1. RDO の ReadoutID から、Cabling の「getOfflineIDfromReadoutID」関数を用いてOfflineId を得る。
2. OfflineId をそのイベントの OfflineId のリストに加える。またすでに同じ ID が無
いか、重複のチェックも行う。

3. OfflineId から対応する TgcReadoutElement を得て、そのチェンバー上での 2 次元
ローカル座標、チャンネル幅を計算する。
√
4. チャンネル幅を計算し、これを位置情報のエラーとする。(一様分布の標準偏差)12

5. hitPRD のコンストラクタに求めた値を代入し、PRD のオブジェクトを作る。
6. PRD を対応する PRD コレクションに入れる。なお、コレクションは ReadoutId によって決められる。

132

5.6.2.2 decodeTracklet
1. RDO の LowPtCoincidenceID から「getOfflineIDfromLowPtCoincidenceID」関数を用いて OfflineId を得る。なお、ここで求めた OfflineId は TGC3 上のチャンネルのものである。

2. RDO の delta と、rphi(trgch 単位の位置座標) から、TGC2 のチャンネルの LowPtCoincidenceID を求める。この際、TGC3 と TGC2 で異なる slbsubMatrix 及び、SLB に属する場合があり、その場合 rphi だけでなく sbLoc や sub 等の値も変化する。また、ワイヤーの場合 delta が正ならば、TGC3 のヒットに比べて、TGC2 のヒットが η 大 (r 小) にずれている。ストリップの場合、A サイド F タイプチェン
バーと C サイド B タイプチェンバーでは、delta 正ならば TGC2 のヒットが φ 大側にずれている。C サイド F タイプチェンバーと A サイド B タイプチェンバーでは、delta 正ならば TGC2 のヒットが φ 小側にずれている。という関係にあることにも注意しなくてはならない。

3. 2. で求めた TGC2 の LowPtCoincidenceID から、TGC2 の OfflineId を得る。
4. TGC3 の OfflineId から対応する PRD コレクションを決め、同じコレクション中に重複する ID が既にないかチェックする。

5. 2 つの OfflineId からそれぞれの TgcReadoutElement を得て、2 次元ローカル座標、チャンネル幅を計算する。

6. trackletId を計算する。(2 × sbLoc + slbsubMatrix)
7. PRD のコンストラクタに各変数を代入し、PRD をコレクションに入れる。

5.6.2.3 decodeHiPt
1. RDO の HighPtId を、Cabling の「getSimHighPtIDfromRDOHighPtID」関数を用いて SimHighPtId に変換する。

2. Cabling 関数を使って SimHighPtId から OfflineId、roi、ReadoutId を求める。ここで求めた OfflineId は ROI 中心のチャンネルかつレイヤー 7 のものである。

3. 独自の関数を使って ROI の両端の OfflineId と ReadoutId を求める。共に TGC3 のチャンネルの OfflineId である。

4. 3 つの OfflineId と、delta の値を使って TGC1 上の 3 チャンネルの ReadoutId を求める。ROI 両端のチャンネルから求めた TGC1 上の 2 チャンネルに挟まれる領域を便宜上、TGC1 上の ROI と呼ぶことにする。delta とチャンネルのずれの向きの関係は tracklet と同じである。例えばワイヤーの highpt で delta7 なら、TGC3 のヒット位置 (trgch 単位) に比べて、TGC1 のヒット位置が trgch 単位で 7 だけ η 大(r 小) 側にずれている。

133

5. 6 つの OfflineId から、6 つの TgcReadoutElement 及び、ローカルな 2 次元位置座標を求める。

6. ワイヤーの highpt の場合のみ、TGC1 と 3、それぞれの ROI の両端 2 チャンネルのローカル 2 次元座標からグローバルな 3 次元座標を求める。チャンネルがレイ
ヤー 3 又は 7 では無い場合は、衝突点とチャンネルを結ぶ直線の、レイヤー 3 又
は 7 上への射影点の座標を求める。このような変換を行う理由は、チェンバー境界上に位置する ROI では両端のチャンネルが異なる TgcReadoutElement に属するので、ローカル座標のままでは差分を取れないからである。ストリップの highpt の場合は ROI がチェンバーを跨ぐことがないのでローカルな座標のままで良い。

7. TGC1 と 3、それぞれの ROI 端チャンネルの座標の差分を取ることで ROI の幅を求める。ワイヤーの highpt なら r 方向の、ストリップの highpt なら φ 方向の幅が求まる。

8. TGC3 と 1 の ROI 中心のチャンネルの ReadoutId から trackletId を計算する。
(2 × sbLoc + slbsubMatrix)
9. PRD のコンストラクタに各変数を代入し、PRD をコレクションに入れる。OfflineId
は、TGC3 と 1 の ROI 中心のチャンネルの 2 つを入れる。TgcReadoutElement、
ローカル位置座標も同様である。

5.6.2.4 decodeSL
1. RDO の SlId から TGC3 ワイヤーの OfflineId を求める。ただし Cabling 関数を用いた場合、ROI の中心に位置するチャンネルの OfflineId しか得られないので、独自に関数を作り、ROI の両端と中心の 3 チャンネルの OfflineId を得ている。この時、中心チャンネルはレイヤー 7(最外) のチャンネルを取るようしている。これは、このチャンネルの OfflineId が最終的に slPRD を代表するので、レイヤーを統一しておきたいためである。

2. ROI 中心チャンネルの OfflineId によって対応する PRD を決め、重複する ID が既にないかチェックする。

3. ストリップに関しても同様のことをしてやり 3 チャンネルの OfflineId を得る。
4. 6 つの OfflineId に対して TgcReadoutElement を得て、各チャンネルのローカルな
位置座標を求める。

5. ローカルな 2 次元座標からグローバルな 3 次元座標を求める。
6. チャンネルがレイヤー 7 では無い場合には、衝突点とチャンネルを結ぶ直線のレイ
ヤー 7 上への射影点の座標を求める。

7. ワイヤー、ストリップそれぞれの ROI 端チャンネルのレイヤー 7 上での座標の差分を取ることで r 方向、φ 方向の ROI の幅を求める。このような変換を行

134

う理由は、チェンバー境界上に位置する ROI では両端のチャンネルが異なる

TgcReadoutElement に属するので、ローカル座標のままでは差分を取れないからである。

8. Cabling 関数を用いて、ワイヤー、ストリップそれぞれの ROI 中心の OfflineId から、ReadoutId を求める。

9. それぞれの ReadoutId から trackletId を計算する。(2 × sbLoc + slbsubMatrix)
10. PRD のコンストラクタに各変数を代入し、PRD をコレクションに入れる。OfflineId、TgcReadoutElement、ローカル位置座標はワイヤーの ROI 中心のものが代√表して入れられる。ROI 幅に関しては、変数名は errMat となっているものの、 12で割らず、求めた幅をそのまま 2 × 2 の対角行列に入れたものである。第一成分が

r 方向、第 2 成分が φ 方向の幅である。

5.7 RDO→PRD の検証
TgcRdoToPrepDataTool が正しく変換を出来ているか、処理中にスタックすることがな
いか検証を行った。2008 年 7 月〜10 月の試運転で採取された宇宙線データを用いた。

5.7.1 エラーデータに対する耐久性チェック
上記期間のデータ 20 万イベントを処理しスタックがないことを確認したが、この期間中の試運転には EI/FI が含まれなかった。後に、9 月の EI/FI 参加ランのデータを用いることで、decodeHits メソッド中に、EI/FI 関連のバグが見つかり修正された。その後、2008 年 10 月に行われた EI/FI を含む長時間ランのデータを使用した検証では 100 万イ
ベント以上を処理したがスタックは生じていない。現在、Tier-0 上で走るパッケージがまとめられているプロジェクト「AtlasTier0」及び、Tier-1 での reprocessing に用いられる「AtlasProduction」に、上で述べたアルゴリズムを実装した TgcRdoToPrepDataTool がタグされており、すでに 2008 年 12 月に行われた第一回の reproccessing で実際に使用され、耐久性に問題ないことが確認されている。今後、試運転や本運転が行われる際には、

Tier-0 においてもこのコードが走ることになる。

5.7.2 データ変換の正しさの検証
MuonCommAlgs を改造し、RDO と PRD のデータを両方とも AANtuple に落とすように設定し、AANtuple を root で解析することで変換の正しさのチェックを行った。以下にTGC 全セクターが参加した 2008 年 10 月の RUN91627 の宇宙線データ (57000 イベント)を使用した検証の例をいくつか示す。

135

図 5.18 tracklet, A サイド, EW : delta vs ∆pos(η )エンドキャップワイヤーの tracklet オブジェクトのプロット。delta を横軸に、(TGC2 上のヒット位置 - TGC3上のヒット位置) を縦軸にとった。位置は η で差をとっている。上段左から順に TGC3 上のヒット位置が

T5,T6,T7,T8,T9 のもの、下段右は全てのチェンバーのプロットを重ねたもの。2009 年 1 月現在、Cabling
Service を通してグローバルな位置座標を求める際に使用する AtlasGeometry にバグが見つかっており、
TGC3,T8, レイヤー 6,7 のワイヤー座標が 1 チャンネル分 r 小側にずれることがわかっている。下段左の T8 のプロットはまさにそのバグを反映した結果となっている。

図 5.19 tracklet, A サイド, FW(左)/FS(右) : delta vs ∆pos(η /φ )フォワードワイヤー (左)、フォワードストリップ (右) の tracklet オブジェクトのプロット。delta を横軸に、(TGC2 上のヒット位置 - TGC3 上のヒット位置) を縦軸にとった。位置はワイヤーは擬ラピディティ η 、ストリップは φ [rad] で差をとっている。A サイドフォワードは B タイプチェンバーなのでストリップは負相関になる。つまり delta 正の時、TGC2 の方が φ が小さい。(5.5.4 参照)

136

図 5.20 tracklet, C サイド偶数 φ -ES : delta vs ∆pos(φ )エンドキャップストリップ,C サイド, 偶数 φ トリガーセクター (付録 A.1 参照) の tracklet オブジェクトのプ
ロット。delta を横軸に、(TGC2 上のヒット位置 - TGC3 上のヒット位置) を縦軸にとった。位置は φ [rad] で差をとっている。上段左から順に TGC3 上のヒット位置が T5,T6,T7,T8,T9 のもの、下段右は全てのチェンバーのプロットを重ねたもの。C サイドエンドキャップ偶数 φ は B タイプチェンバーなので正相関になる。(5.5.4
参照)

図 5.21 tracklet, C サイド奇数 φ -ES : delta vs ∆pos(φ )エンドキャップストリップ,C サイド, 奇数 φ トリガーセクター (付録 A.1 参照) の tracklet オブジェクトのプ
ロット。delta を横軸に、(TGC2 上のヒット位置 - TGC3 上のヒット位置) を縦軸にとった。位置は φ [rad] で差をとっている。上段左から順に TGC3 上のヒット位置が T5,T6,T7,T8,T9 のもの、下段右は全てのチェンバーのプロットを重ねたもの。C サイドエンドキャップ奇数 φ は F タイプチェンバーなので負相関になる。(5.5.4
参照)

137

図 5.22 highpt, A サイド, EW, ROIcolumn 0-7 : delta vs ∆pos(η )A サイド, エンドキャップワイヤーの highpt オブジェクトのプロット。delta を横軸に、(TGC1 上のヒット位置- TGC3 上のヒット位置) を縦軸にとった。位置は η で差をとっている。上段左から順に TGC3 上のヒット位置
が ROIcolumn 0,1,2,3,4,5,6,7 のもの。(付録 A.4 参照) 11 ≤ |delta| の領域で傾きが約 2 倍になっているが、5.5.4.3
で述べた delta と trgch 差分の関係を正しく反映している。

図 5.23highpt, A サイド, FW, ROIcolumn 0-7 : delta vs ∆pos(η )A サイド, フォワードワイヤーの highpt オブジェクトのプロット。delta を横軸に、(TGC1 上のヒット位置 TGC3 上のヒット位置) を縦軸にとった。位置は η で差をとっている。上段左から順に TGC3 上のヒット位置
が ROIcolumn 8,9,10,11,12,13,14,15 もの。(付録 A.4 参照) 11 ≤ |delta| の領域で傾きが約 2 倍になっているが、5.5.4.3 で述べた delta と trgch 差分の関係を正しく反映している。

138

図 5.24 highpt, A サイド,ES 偶数 φ (上)/FSφ 2(下) : delta vs ∆pos(φ )A サイドの、エンドキャップストリップ偶数 φ トリガーセクター及び、フォワードストリップ φ 2 トリガーセ
クター (付録 A.1 参照) の highpt オブジェクトのプロット。delta を横軸に、(TGC1 上のヒット位置 - TGC3 上のヒット位置) を縦軸にとった。位置は φ [rad] で差をとっている。上段左から TGC3 ヒット位置が T5 チェン
バー (ROIrow 16,17,18,19) のもの、下段左から TGC3 ヒット位置が T2 チェンバー (ROIrow 0,1,2,3) のもの (付録

A.4 参照)。A サイドはエンドキャップ偶数 φ は F タイプチェンバー、フォワードは B タイプチェンバーなので、それぞれ正相関、負相関になる。(5.5.4 参照)

図 5.25 highpt, A サイド,ES 奇数 φ (上)/FSφ 2(下) : delta vs ∆pos(φ )A サイドの、エンドキャップストリップ奇数 φ トリガーセクター及び、フォワードストリップ φ 0 トリガーセ
クター (付録 A.1 参照) の highpt オブジェクトのプロット。delta を横軸に、(TGC1 上のヒット位置 - TGC3 上のヒット位置) を縦軸にとった。位置は φ [rad] で差をとっている。上段左から TGC3 ヒット位置が T5 チェン
バー (ROIrow 16,17,18,19) のもの、下段左から TGC3 ヒット位置が T2 チェンバー (ROIrow 0,1,2,3) のもの (付録

A.4 参照)。A サイドはエンドキャップ奇数 φ とフォワードは B タイプチェンバーなので、共に負相関になる。
(5.5.4 参照)

139

図 5.26 highpt, A サイド, EW, ROIcolumn 0-7 : delta vs widthIn
A サイド, エンドキャップワイヤーの highpt オブジェクトのプロット。delta を横軸に、widthIn(=TGC1 上のROI 幅 [mm]) を縦軸にとった。(5.6.2.3, 付録 A.3 参照) 上段左から順に TGC3 上のヒット位置が
ROIcolumn 0,1,2,3,4,5,6,7 のもの。(付録 A.4 参照) 左上の ROIcolumn 0 はワイヤーの r 大側の端にあたるため、
delta が小さくなる (TGC1 上の位置が r 大側にずれる) につれて ROI 幅が狭くなっていくという特徴が正しく表れている。いくつかある不連続な点は、チェンバー境界の OR チャンネルの影響で 1 チャンネル分 ROI 幅がずれてしまうというアルゴリズム上の仕様である。

図 5.27 highpt, A サイド, EW, ROIcolumn 8-15 : delta vs widthIn
A サイド, エンドキャップワイヤーの highpt オブジェクトのプロット。delta を横軸に、widthIn(=TGC1 上のROI 幅 [mm]) を縦軸にとった。(5.6.2.3, 付録 A.3 参照) 上段左から順に TGC3 上のヒット位置が
ROIcolumn 8,9,10,11,12,13,14,15 のもの。(付録 A.4 参照) TGC は r 小側のチェンバーほど 1 チャンネルの持つワイヤーの本数が少なくなる (チャンネル幅が狭くなる) という特徴を持つが、ROIcolumn が大きくなるにつれて

widthIn が小さくなっていくのはこの特徴の表れである。

140

図 5.28 highpt, A サイド, ES T5(上)/ FS(下) : delta vs widthIn
A サイドの、エンドキャップストリップ及びフォワードストリップの highpt オブジェクトのプロット。delta を横軸に、widthIn(=TGC1 上の ROI 幅 [mm]) を縦軸にとった。(5.6.2.3, 付録 A.3 参照) 上段左から TGC3 ヒッ
ト位置が T5 チェンバー (ROIrow 16,17,18,19) のもの、下段左から TGC3 ヒット位置が T2 チェンバー(ROIrow 0,1,2,3) のもの (付録 A.4 参照)。上下段の両端はチェンバー端にあたるため、delta がチェンバー端側にいくにつれて ROI 幅が狭くなっていくという特徴が正しく表れている。

図 5.29 A サイド, EW, tracklet pos vs highpt pos
TGC3 のヒット位置を、A サイド, エンドキャップワイヤーの、対応する tracklet(横軸) と highpt(縦軸) オブ
ジェクト間で比較したもの。ヒット位置は ATLAS グローバル円筒座標 (2.1.1.1) における r[mm] で比較している。上段左からヒット位置が T5,T6,T7,T8,T9 のもの、下段右は全てのチェンバーをあわせたもの。highpt における位置は ROI の中央のチャンネルで代表するため、縦方向は ROI の境目で不連続になる。綺麗に ROI の構造が見えており、正しい相関がとれているのがわかる。

141

図 5.30 A サイド, FW(左) / FS(右), φ 2 トリガーセクター : tracklet pos vs highpt pos
TGC3 のヒット位置を、A サイド, フォワードの対応する tracklet(横軸) と highpt(縦軸) オブジェクト間で比較したもの。ヒット位置はワイヤーとストリップそれぞれ、ATLAS グローバル円筒座標 (2.1.1.1) における r[mm]と φ で比較している。highpt における位置は ROI の中央のチャンネルで代表するため、縦方向は ROI の境目
で不連続になる。ワイヤーでは綺麗に ROI の構造が見えており、正しい相関がとれているのがわかる。スト
リップは 12 個の塊があるように見え、A01〜A12 の 1/12 セクターの中の φ 2 トリガーセクターに相当する。
この図ではプロットしていないが、間に φ 0 トリガーセクターに対応する塊が入れば連続になる。フォワードのトリガーセクターは 1 チェンバーからなり、塊を拡大すると図中の赤丸内のような 4 つの ROI 構造が見える。

図 5.31 SL, A サイド : φ vs SL オブジェクト数
横軸はビッグウィールを φ 方向に 48 分割して番号を振ったもの。(図右側参照) 縦軸はその φ で作られた SL オ
ブジェクトの数。SL オブジェクトの数は、そのまま TGC によってトリガーされた宇宙船の数に対応する。図
中の赤と黄色の領域は数多く、青の領域は数が少ない。これは天頂角方向から飛来する宇宙線が多いことを反映している。横方向のセクターのストリップでは delta が大き過ぎるものが多く多くアクセプタンスが低下する。

142

図 5.32 SL, A サイド EW(左) / FW(右): pos(r) vs ROIcolumn
A サイドの SL オブジェクトの位置と ROI の相関をワイヤー方向に取ったもの。横軸は SL オブジェクトの位
置情報を ATLAS グローバル円筒座標 (2.1.1.1) における r[mm] で表した。縦軸は ROIcolumn (付録 A.4 参照)。rが大きくなるにつれて傾きが緩やかになるのは、チャンネル幅の増加によって 1 つの ROI が担当する領域が広くなることを反映している。

図 5.33 SL, A サイド E(左)/ F(右): trackletId vs ROI
A サイドの SL オブジェクトの trackletId(横軸) と ROI 番号 (付録 A.4 参照) の相関を取ったもの。正しく対応がとれている。

143

第6章

TGC の動作検証
4 で述べたように TGC は現在、設計、量産、インストールの工程をほぼ終え、最終調整段階に入っている。2008 年の 9 月〜10 月に行われた ATLAS 全体の統合試運転にはビッグウィール全 24 セクター +EI/FI のフルセクターで参加し、長時間のランでも比較的安定した動作を見せた。試運転時の長時間ランの宇宙線データを用いて TGC システムが設計通りの動作をしているか現在検証中である。検証の一例として、第 5 章で述べた PRD コ
ンバータの動作確認の意味合いも兼ねて、リードアウトラインとトリガーラインのデータの整合性の確認を行った。また、チェンバーの検出効率を求め、HV(印加電圧) の異なる

4 つの長時間ランのデータを比較することで HV の適正値の見積もりを行った。以下でそ
れぞれについて説明する。

6.1

リードアウトデータとトリガーデータの位置情報の整
合性

PRD の 4 種類のオブジェクトには、それぞれ位置情報が含まれている。具体的には、hitにはそのヒット位置情報、tracklet には対応する TGC2 と 3 上のヒット位置情報、highptには対応する TGC1 と 3 上の ROI 幅と ROI 中心位置情報、sl には TGC3 上の ROI 幅とROI 中心位置情報が入っている。TGC が正常に機能しており、PRD コンバータが正しい変換を行っていれば、リードアウトデータである hit と、残る 3 つのトリガーデータの位
置情報は一致するはずである。図 6.1 に実際に位置情報を比較した図を示す。sl 以外のオブジェクトはワイヤーとストリップが独立しているので、1 つのオブジェクトから得られるのはそれぞれ r 方向、φ 方向の位置情報のみである。ワイヤーとストリップの 2 つのオ
ブジェクトの位置情報の交点を求めて位置を決定することになる。ただし highpt と sl の位置情報は幅をもっているので一点には定まらない。実際に highpt と sl から求まる領域の中で、hit 及び tracklet のワイヤーとストリップの位置を表す直線が交わっている。

144

図 6.1

イベントディスプレイによる hit,tracklet,highpt,sl の位置情報の比較

左から TGC1,2,3。上段は下段を拡大したもの。円盤は TGC のビッグウィールを ATLAS の外側から見たもの。
縦軸は ATLAS グローバルの y 軸 [mm]、横軸は x 軸 [mm]。TGC1 と 3 にある赤と茶の点線と線で囲まれた領域はワイヤーとストリップの highpt の WidthIn と WidthOut から求めた ROI の領域。TGC2 と 3 にある黄色の線は tracklet の位置。青とピンクはワイヤーとストリップの hit の位置。ただし hit はトリガー条件を満たすもののみを選び表示している。

TGC3 のみにある緑色の四角は sl の位置及び errMat(r 方向、φ 方向の ROI幅) から求めた領域。sl 及び、highpt から求めた ROI の内側で tracklet 及び hit の、ワイヤーとストリップの線が交わっているのが見て取れる。

6.2 PRD オブジェクトの階層構造の確認
トリガーデータの 3 つの PRD(tracklet, highpt, sl) はそれぞれ、TGC のトリガースキー
ム (3.2 参照) の LPT トリガー、HPT トリガー、SL トリガーに対応するものである。LPT
トリガー (TGC2-3 間のコインシデンスの要求)、HPT トリガー (LPT + TGC1-3 間のコイ
ンシデンスの要求)、SL トリガー (ワイヤー、ストリップ双方の HPT トリガーを要求※
論理ファイルの書き換えにより変更可能) と進むにつれて条件は厳しくなっていく。よって、上位のトリガーデータに対しては必ずその元となった下位のトリガーデータが存在するはずである。実際にそのような階層構造になっているかを確認した結果を表 6.1 に示す。対応は tracklet,highpt,sl のトリガーデータ間では trackletId(5.5.5 参照) を用いて行った。tracklet に対応する hit を探す際は OfflineId(5.5.1.1 参照) を用いて行った。計算の際

145

には、ストリップ HPT ボードのバグ (5.5.4.3 参照) による影響は除いている。sl を起点にした場合、ワイヤー、ストリップ共に 96% 程度しか下位のオブジェクトが見つかっていない。なお、ストリップで highpt/sl を計算していないのは、データ取得時のトリガー条件
が、「ワイヤーの HPT トリガー ∧ ストリップの LPT トリガー」であったからである。この場合、ストリップ highpt が無くても SL トリガーが発行されるので、sl を起点に highptを探しても低い割合でしか見つからない。また、ストリップの hit/tracklet も 96% しか見つかっていない。他の場合は 99.5% 以上見つかっており、データ送信中のビット化け等がある事も考慮すればこの部分は正しいと言える。問題点は

1. sl に対して下位トリガーデータが見つからない場合がある。
2. ストリップで hit と tracklet のどちらかの OfflineId がおかしい場合がある。
の２種類である。tracklet/highpt はワイヤー、ストリップ共に正しいと思われるので、前者は SL における SL トリガー判定に原因がある可能性がある。SL モジュールの FPGAに焼きこむ論理ファイルは現在も改良中であり、SL が USA15 に設置されるおかげで今後もアクセスは比較的容易である。よって今後 SL 関連のアップデートにより数値が改善される可能性は十分にある。次に後者だが、可能性の 1 つは PRD へのコンバータやCabling Sevice 関連のソフトウェア上のバグであり、現在も検証中である。他の可能性は
SLB、SSW、ROD 等のエレクトロニクス上のバグだが、この場合は修復困難となる。
表 6.1 PRD 間の階層チェック
分母のオブジェクトを起点として、対応する分子のオブジェクトがあるかどうかを探す。対応は tracklet,highpt,slのトリガーデータ間では trackletId を用いて行う。tracklet に対応する hit を探す場合は OfflineId を用いて行う。

分子 / 分母数の比割合

hit / tracklet

992010 / 996567

99.54%

tracklet / highpt

162456 / 162457

99.99%

tracklet / sl

864019 / 884743

97.66%

highpt / sl

151070 / 151186

96.66%

hit / tracklet

1011336 / 1053554

96.99%

tracklet / highpt

272539 / 272563

99.99%

tracklet / sl

850322 / 884743

96.11%

Wire

Strip

146

6.3

検出効率

チェンバーが宇宙線の通過に対して、どれくらいの割合で信号を出すか (検出効率) を評価した。用いたデータの一覧を表 6.2 に示す。ビッグウィール 24 セクターは 4 つのラン全てに参加し、実際にトリガーを発行していた。その際のトリガー条件は前述の通り、「ワイヤーの HPT トリガー (TGC1-3 間のコインシデンス) ∧ ストリップの LPT トリガー

(TGC2-3 間のコインシデンス)」である。
表 6.2

検出効率の評価に用いたデータの一覧

RUN

HV

閾電圧 [mV]

Gate 幅 [ns]Number

[V]

wire

strip

wire

91800

2650

80

80

90525

2750

80

90413

2800

91636

2850

データ採取日時気圧

strip

年/月/日/時

[hPa]

35

45

08/10/15/18:44:00-08/10/16/00:07:07

976.6

80

35

45

08/10/01/22:27:35-08/10/02/08:52:14

969.1

80

80

30

45

08/09/30/20:19:11-08/10/01/05:15:30

972.9

80

80

35

45

08/10/14/12:37:32-08/10/14/17:42:29

980.0

例として、RUN91800(ワイヤー:図 6.2, ストリップ:図 6.4)、RUN90413(ワイヤー:図 6.3,
ストリップ:図 6.5) の検出効率を図にまとめた。ワイヤーでもストリップでも、HV を上げることで全体的に検出効率が大きく上がっている。ところどころにある、色のついていないチェンバーは、HV のトリップや DCS の不調等で HV をかけることが出来なかった
チェンバーである。また著しく検出効率が低いチェンバーは、HV や ASD の閾値電圧がうまくかからなったこと等に起因する。

147

図 6.22650V:A サイドビッグウィールのワイヤー検出効率

図 6.3 2800V:A サイドビッグウィールのワイヤー検出効率

横軸に phi 番号 (A.1 参照)、縦軸はチェンバーの種類を 横軸に phi 番号 (A.1 参照)、縦軸はチェンバーの種類を表す。ただし T1/2 は phi1-24 しかないので横軸 2 目盛 表す。ただし T1/2 は phi1-24 しかないので横軸 2 目盛で 1 チェンバーである。色がそのチェンバーのワイで 1 チェンバーである。色がそのチェンバーのワイヤーの検出効率を表す。HV:2650V の RUN91800 のヤーの検出効率を表す。HV:2800V の RUN90413 のデータで、緑色が多く検出効率は全体的に低い。

データで、赤色が多く検出効率は全体的に高い。

148

図 6.42650V:A サイドビッグウィールのストリップ検出効率

図 6.5 2800V:A サイドビッグウィールのストリップ検出効率

横軸に phi 番号 (A.1 参照)、縦軸はチェンバーの種類を 横軸に phi 番号 (A.1 参照)、縦軸はチェンバーの種類を表す。ただし T1/2 は phi1-24 しかないので横軸 2 目盛 表す。ただし T1/2 は phi1-24 しかないので横軸 2 目盛で 1 チェンバーである。色がそのチェンバーのストで 1 チェンバーである。色がそのチェンバーのスト

リップの検出効率を表す。HV:2650V の RUN91800 の リップの検出効率を表す。HV:2800V の RUN90413 のデータで、緑色が多く検出効率は全体的に低い。

149

データで、赤色が多く検出効率は全体的に高い。

6.3.0.1

検出効率と HV の関係

4 つのラン全てを使って、HV の値とワイヤーの検出効率の関係をレイヤー毎に求めたものが図 6.6 である。1 つのグラフの中には、チェンバーの種類毎にわけて検出効率を求めたものと、全てのチェンバーを合算して求めたものを示した。エラーは、検出効率を求√める際の分母を n、検出効率を ε として、2 項分布の標準偏差ε (1−ε )を用いた。チェンn

バーの種類毎に、HV に変化に対する検出率の変化の大きさは異なっているが、基本的な方向性としては、HV が上がることによって検出効率が上がっている。しかし、2800V から 2850V へ上げた場合、一部のチェンバーでは逆に検出効率が下がってしまっている。
全チェンバーの合算値を見ると、2800V のほうが 2850V よりも検出効率が高い傾向が見える。よって本番を含めた今後のオペレーションでは 2800V を基本的な設定値とするのが良いと思われる。表 6.3 に、HV:2800V の RUN90413 における全チェンバー合算のワ
イヤー検出効率の値を載せた。
この時のダブレットの平均検出効率 ε = 91.7% という数値を用いて、TGC がアクセプ
タンス範囲内の粒子通過時にどれくらいの割合で LPT トリガーを出すことが出来るかを見積もってみる。LPT トリガーは、TGC2 と 3 の合計 4 層のうち、最低 3 層においてヒッ
トがあることを要求する。よって、

LPT トリガー効率

E = ε 4 + 4 C1 × ε 3 × (1 − ε ) ' 96.3%となる。TGC はアクセプタンスの範囲内では 99% の効率を目指しているので、現状の数字では満足ではない。現時点で検出効率の低下の原因としては例えば以下のものが考えられる。

1. ケーブルのスワップや不調エレクトロニクスの存在。
2. 発振チャンネルの存在や、ASD 閾値電圧の不調、チェンバーの HV の不調。
3. hitPRD を生成するのに関わるソフトウェアのバグ。
1. に関しては事実、10 月の試運転時にチェンバー周りでケーブルスワップがあったことが既にわかっている。これは第 4 章で述べた検査やディレイスキャンによって判明したもので、現時点でアクセス可能な場所に関しては修正済みである。今後、ビッグウィー
ルの移動などによってアクセスの機会があると考えられる部分に関しても準備は整っている。またエレクトロニクスの不調も実際に存在しており、交換可能なものは順次に交換している少なくともこれらの修復作業によって、上記の数字から多少の上昇が見込める。2.
に関しては、発振しやすいチャンネルを把握し、閾値を高めに設定したり、不調な ASD
やチェンバーは何度も電圧をかけるのに挑戦するといったことでデータのクオリティを高めることは可能である。3. は現在、検出効率に直接かかわるような具体的なバグは見つ

150

かっていないが、今後他の解析を通して何らかのバグが発見される可能性はある。最終的にレイヤーあたり 96% の検出効率があれば、LPT トリガーの効率は 99% となるので、今後もコミッショニングを継続し、検出効率を高めるよう努力する必要がある。
表 6.3 RUN90413(HV:2800V) における各レイヤーのワイヤー検出効率 (全種チェンバー合算)

レイヤー

検出効率

エラー

統計数 (分母の数)

Layer1

88.0%

0.1%

56323

Layer2

92.1%

0.1%

52181

Layer3

86.6%

0.1%

54190

Layer4

90.6%

0.1%

54421

Layer5

90.9%

0.1%

54267

Layer6

93.8%

0.1%

53587

Layer7

91.5%

0.1%

54027

151

図 6.6 HV を変化させた時のワイヤー検出効率の変化
Run91800(HV:2650V), Run90525(HV:2750V), Run90413(HV:2850V), Run91636(HV:2850V) のデータを用いて、HV(印加電圧) の変化に対するワイヤーの検出効率の変化をプロットした。統計数を稼ぐため A サイドと C
サイドの全ての phi を合算した。左上からレイヤー 1,2...7。点の色は図中に示した通りチェンバーの種類を表す。全種チェンバーの合算である黒点は 2800V の時にほぼ全てのレイヤーで最大値を取る。

152

第7章

まとめ及び TGC コミッショニングの今後について第 4 章で述べたように、約 10 年の月日をかけて、ようやく TGC は全セクターが安定して動く状況まで漕ぎ着けることができた。解析用のオフラインデータの提供に関しても、第 5 で述べたように実用可能なレベルになっている。LHC のシングルビームを TGC で捉えることにも成功している。とは言え、ビッグウィールの移動や、他の検出器等の移動等に伴い、配線のしなおしや、接続の故障が新たに発生する可能性は十分に考えられる。
例えば EI のチェンバーの 1 つが他の検出器と衝突し破損するという事故が実際に起こっており、チェンバー交換の機会を待っている状況である。しかしながら、第 4 章で述べたとおり、配線やモジュールに変更があった時に動作や接続を確認する手法と手順は既に確立済みであり、我々はこのようなアクシンデントがあっても素早く正常な状態に修復可能な体制を整えてきた。また、オペレーション用のステータスモニター等、本番実験開始に備えたツール作りも並行して行ってきた。

LHC のヘリウム漏れ事故により、残念ながら 2008 年秋からの LHC 定常運転は 2009年夏以降に延期されることとなったが、その間、TGC としては (他の検出器も同様な状況
であるが)、より性能を高めるためのコミッショニングに集中可能であるとも言える。第 6章の検出効率の点から見ても、最終的に目指す性能のレベルにはまだ至っていないと言わざるを得ない。実際、事故後の試運転期間に得た長時間宇宙線データや、ディレイスキャ
ン (4 参照) の結果から、新たな配線のミスや、ケーブルとモジュールの故障が発見された。仮に定常運転がはじまってしまえば、地下ホールへのアクセスは非常に限られ、修復は困難となる。定常運転がはじまる前に問題点を修正する機会を得たことは不幸中の幸いと言えるだろう。確かに TGC はまともに動く状況にはなった。しかしやるべきことはまだまだいくらでもあるというのが現状である。今後も実験開始までに可能な限りのクオリ
ティアップを目指し、残された限られた時間を有効利用していかなくてはならない。

153

付録 A

A.1

トリガーセクター番号 φ154

A.2 RDO の変数一覧
表 A.1 TGC の RDO オブジェクトの持つ変数。hit(上段)、tracklet(下段)。
※ ET:EndcapTriplet

DW:DoubletWire

FT:ForwardTriplet ED:EndcapDoublet FD:ForwardDoublet I:Innerstation
DS:DoubletStrip TW:TripletWire TS:TripletStrip IW:InnerWire IS:InnerStrip

変数名

型

値域

意味

bcTag

int

0〜3

0:Previous 1:Current 2:Next 3:Unknown

subDetectorId

int

103 / 104

A サイド/C サイド

rodId

int

1〜12

ROD の ID(＝ 1/12 セクターの区別)

sswId

int

0〜8

SSW の ID(ET:0/1 FT:2 ED:3〜6 FD:7 I:8)

slbId

int

0〜25

sbLoc ※ SLB の ID とは少々異なる

l1Id

int

-

レベル 1 トリガーの ID

bcId

int

-

バンチ ID

slbTypeenum

0〜6

0:DW 1:DS 2:TW 3:TS 4:IW 5:IS 6:Unknown

adj

bool

T/F

SLB の adjacent 領域の bit か否か

trackletint-

channelint

40〜199

bcTag

int

0〜3

subDetectorId

int

103 / 104

A サイド/C サイド

rodId

int

1〜12

ROD の ID(＝ 1/12 セクターの区別)

sswId

int

0〜9

SSW の ID(ET:0/1 FT:2 ED:3〜6 FD:7 I:8)

slbId

int

0〜25

sbLoc ※ SLB の ID とは少々異なる

l1Id

int

-

レベル 1 トリガーの ID

bcId

int

-

バンチ ID

slbType

enum

0〜6

delta

int

W:-7〜7, S:-3〜3

seg

int

0/1

TS の TRIGA / TRIGB の区別

sub

int

0〜3

slbsubMatix(トリガーデータの TRIG0〜3 に対応)

rphi

int

0〜31

slbsubMatrix 内の位置 (trgch 単位)

hit

未使用

SLB の出力 200bit の何 bit 目かtracklet
0:Previous 1:Current 2:Next 3:Unknown

0:DW 1:DS 2:TW 3:TS 4:IW 5:IS 6:Unknown
TGC3 と 2 のヒット位置の差 (trgch 単位)155表 A.2 TGC の RDO オブジェクトの持つ変数。highpt(上段)、sl(下段)。

変数名

型

値域

意味

bcTag

int

0〜3

0:Previous 1:Current 2:Next 3:Unknown

subDetectorId

int

103 / 104

A サイド/C サイド

rodId

int

1〜12

ROD の ID(＝ 1/12 セクターの区別)

l1Id

int

-

レベル 1 トリガーの ID

bcId

int

-

バンチ ID

strip

bool

T/F

Strip / Wire の区別

forwardbool

T/F

Forward / Endcap の区別

sectorint

Fw:0/1, Ec:0〜3

chip

int

0〜3

HPT ボード上のチップの区別

index

int

0/1

hoge

hipt

bool

T/F

HPT トリガーデータ/LPT トリガーデータ

hitId

int

1〜6

HPT チップ内のマトリックスの区別

sub

int

0/1

hptsubMatrix(マトリックス内の区別)

delta

int

W:-15〜15, S:-7〜7

TGC3 と 1 のヒット位置の差 (trgch 単位)

bcTag

int

0〜3

0:Previous 1:Current, 2:Next 3:Unknown

subDetectorId

int

103 / 104

A サイド/C サイド

rodId

int

1〜12

ROD の ID(＝ 1/12 セクターの区別)

l1Id

int

-

レベル 1 トリガーの ID

bcId

int

-

バンチ ID

cand3plus

int

0/1

hoge

forwardbool

T/Fsectorint

Fw:0 / 1, Ec:0〜3

index

int

0/1

2 つのトリガー候補の区別

muplusbool

T/F

粒子の電荷 (plus / minus)

threshold

int

1〜6

何番目の pT 閾値を超えたトリガーか

overlap

bool

-

roi

int

Fw:0〜63, Ec:0〜147

highpt1/12 セクター内のトリガーセクタの区別

slForward / Endcap の区別
1/12 セクター内のトリガーセクタの区別

未使用

156

トリガーサブセクター番号 (ROI 番号)

A.3 PRD の変数一覧
表 A.3 TGC の PRD オブジェクトの持つ変数。hit(上段)、tracklet(下段)。

変数名

型

意味

RDOId

Identifier

OfflineID(実体は unsigned int)

idDE

IdentifierHash

所属する Collection のハッシュ

locposLocalPosition

TgcReadOutElement 内での位置

rdoListvector<Identifier>locErrMat

ErrorMatrix

hit

detEl

TgcReadOutElement

同一イベントの hitrdo の OfflineID リスト√
hit 位置のエラー (= チャンネル幅)
12

属する TgcReadoutElement へのポインタ

trackletchannelIdIn

Identifier元となった TGC2 の hit の OfflineID

channelIdOut

Identifier元となった TGC3 の hit の OfflineID

collectionIdHash

IdentifierHash

所属する Collection のハッシュ

detElIn

TgcReadoutElement

TGC2 の TgcReadoutElement へのポインタ

detElOut

TgcReadoutElement

TGC3 の TgcReadoutElement へのポインタ

type

CoinDataType(enum)

0 固定 (0:tracklet 1:hipt 2:sl 3:unknown)

isAsidebool

T/F : A サイド/C サイド

phi

int

トリガーセクタ番号 (Fw:1〜24 Ec:1〜48)

isForward

bool

T/F : Forward / Endcap

isStripbool

T/F : Strip / Wire

trackletId

int

1 イベント内でトリガーデータを一意に識別する ID

posIn

LocalPosition

TGC2 の TgcReadOutElement 内での位置 [mm]posOutLocalPosition

TGC3 の TgcReadOutElement 内での位置 [mm]widthIn

double元となる TGC2 の hit のチャンネル幅 [mm]widthOutdouble元となる TGC3 の hit のチャンネル幅 [mm]int

trackletRDO の値がそのまま入る (trgch 単位)

delta

157

表 A.4 TGC の PRD オブジェクトの持つ変数。highpt(上段)、sl(下段)。

変数名

型

意味

highptchannelIdIn

Identifier

元となる TGC1 の hit の OfflineID

channelIdOut

Identifier

元となる TGC3 の hit の OfflineID

collectionIdHash

IdentifierHash

所属する Collection のハッシュ

detElIn

TgcReadoutElement

TGC1 の TgcReadoutElement へのポインタ

detElOut

TgcReadoutElement

TGC3 の TgcReadoutElement へのポインタ

type

CoinDataType(enum)

1 固定 (0:tracklet 1:hipt 2:sl 3:unknown)

isAsidebool

T/F : A サイド/C サイド

phi

int

トリガーセクタ番号 (Fw:1〜24 Ec:1〜48)

isForward

bool

T/F : Forward / Endcap

isStripbool

T/F : Strip / Wire

trackletId

int

1 イベント内でトリガーデータを一意に識別する ID

posIn

LocalPosition

TGC1 の TgcReadOutElement 内での位置 [mm]posOutLocalPosition

TGC3 の TgcReadOutElement 内での位置 [mm]widthIn

doubleTGC1 の hit の取り得る範囲 (TGC1 の ROI 幅)[mm]

widthOutdoubleTGC3 の hit が属する ROI の幅 [mm]

delta

int

highptRDO の値がそのまま入る (trgch 単位)

Identifier元となった TGC3 の hit(wire) の OfflineIDslchannelIdIn
collectionIdHash
detElOut

IdentifierHash
TgcReadoutElement

所属する Collection のハッシュ

TGC3 の TgcReadoutElement へのポインタ

type

CoinDataType

isAsidebool

T/F : A サイド/C サイド

phi

int

トリガーセクタ番号 (Fw:1〜24 Ec:1〜48)

isForward

bool

T/F : Forward / Endcap

trackletId

int

元となった wire トリガーデータの trackletID

trackletIdStripint

元となった strip トリガーデータの trackletID

posOutLocalPosition

errMatErrorMatrix

2 固定 (0:tracklet 1:hipt 2:sl 3:unknown)

TGC3 の TgcReadOutElement 内での位置 [mm])(0Width r
TGC3 の ROI 幅行列 [mm],0Width φroi

int

ROI 番号,slRDO の値がそのまま入る

pt

int

どの pT 閾値を超えたか,slRDO の値がそのまま入る

158

A.4 ROI のナンバリング

図 A.1 ROI のナンバリング

159

A.5 SLB データフォーマット

図 A.2 SLB のデータフォーマット

160

A.6 SSW データフォーマット

図 A.3

SSW のデータフォーマット

161

A.7

エレクトロニクス ID の関係
表 A.5

トリプレット 1/12 セクター内の振り分け

トリガーセクター

SLBID

sbLoc

SSWID

0
1
2
3
4
5
6
0
1
2
3
4
5
6
0
1
2
3
4
5
6
0
1
2
3
4
5
6

0
1
2
3
4
5
6
8
9
10
11
12
13
14
0
1
2
3
4
5
6
8
9
10
11
12
13
14

0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1

ワイヤー

Endcap φ 0

Endcap φ 1

Endcap φ 2

Endcap φ 3

162

chip

hitId

表 A.6

トリプレット 1/12 セクター内の振り分け

トリガーセクター

SLBID

sbLoc

SSWID

0
1
2
3
4
5
6
0
1
2
3
4
5
6
0
1
2
3
4
5
6
0
1
2
3
4
5
6

0
1
2
3
4
5
6
8
9
10
11
12
13
14
0
1
2
3
4
5
6
8
9
10
11
12
13
14

0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1

ワイヤー

Endcap φ 0

Endcap φ 1

Endcap φ 2

Endcap φ 3

163

chip

hitId

表 A.7

ダブレットエンドキャップ 1/12 セクター内の振り分け

トリガーセクター

SLBID

sbLoc

SSWID

Endcap φ 1

Endcap φ 2

Endcap φ 3

0
1
2
3
4
5
6
0
1
2
3
4
5
6
0
1
2
3
4
5
6
0
1
2
3
4
5
6

0
1
2
3
4
5
6
8
9
10
11
12
13
14
0
1
2
3
4
5
6
8
9
10
11
12
13
14

Endcap φ 1
Endcap φ 2
Endcap φ 3

ROI

0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
ROIrow

ストリップ

Endcap φ 0

hitId

ROIcolumn

ワイヤー

Endcap φ 0

chip

0
1
0
1
0
1
0
1

16
17
24
25
16
17
24
25

0
0
0
0
1
1
1
1

164

表 A.8

ダブレットエンドキャップ 1/12 セクター内の振り分け

トリガーセクター

SLBID

sbLoc

SSWID

Endcap φ 1
Endcap φ 2
Endcap φ 3

hitId

ROI
ROIrow

ストリップ

Endcap φ 0

chip

0
1
0
1
0
1
0
1

16
17
24
25
16
17
24
25

0
0
0
0
1
1
1
1

ワイヤー

ROIcolumn

ストリップ

ROIrow

165

参考文献[1] Asai, Shoji. et al. ”Prospects for the Search for a Standard Model Higgs Boson in ATLAS using Vector Boson Fusion.” hep-ph/0402254, SN-ATLAS2003-024, EEur.Phys.J.C32S2:19-54,2004.
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CERN-LHCC-2005-022, 2005.
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Collider.” 2008 JINST 3 S08003, 2008
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Model.” CERN-PH-EP/2006-042, hepex/0612034, 2006.
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[12] Spira, Michael. ”Higgs Production and Decay at Future Machines.” CERNTH/97-323, hep-ex/9711394, 1997.

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[18] 高橋悠太. ”修士学位論文 大型ハドロン加速器実験用μ粒子検出器の動作検証.” 日本, 名古屋大学大学院, 2008 年.

[19] 冨島 佑允. ”ATLAS 実験におけるタウ粒子を用いた超対称性モデルの研究” 日本, 東京大学大学院, 2008 年.

[20] 丹羽正. ”修士学位論文 ATLAS 前後方ミューオントリガーシステムコミッショニングにおける SectorLogic による宇宙線トリガーの研究.” 日本, 神戸大学大学院, 2008 年.

[21] ALICE Collaboration. ALICE Public Page(http://aliceinfo.cern.ch/Public/),
参照 2008 年 12 月 18 日.

[22] ATLAS JAPAN. ”ア ト ラ ス 日 本・写 真 集 ペ ー ジ.” ATLAS-Japan Home
Page(http://atlas.kek.jp/), 参照 2008 年 12 月 11 日.
[23] ATLAS TGC Groupe. ”Documents for TGC Electronics & DAQ.” TgcDocument(https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/Main/TgcDocument), 参照 2008
年 12 月 11 日.

[24] CERN.

”LHC

Project

Illustrations.”

CERN

Document

Server(http://cdsweb.cern.ch/), 参照 2008 年 12 月 11 日.
[25] CMS.

CMS

PublicPage(http://cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms-

project-cmsinfo/index.html), 参照 2008 年 12 月 18 日.
[26] ICEPP. ICEPP Home Page(http://www.icepp.s.u-tokyo.ac.jp/), 参照 2008 年
12 月 15 日.
[27] LHCb. LHCb Public Page(http://lhcb-public.web.cern.ch/lhcb-public/), 参照
2008 年 12 月 18 日.
[28] Magnet. ATLAS MAGNETIC FIELD(http://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUP-S/MUON/magfield/), 参照 2008 年 12 月 21 日.
[29] SCT Groupe. SctWiki(https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/Atlas/SctWiki),
参照 2008 年 12 月 22 日.

167

[30] TOTEM. TOTEM website(http://totem.web.cern.ch/Totem/), 参照 2008 年
12 月 18 日.
[31] 佐々木修. Osamu Sasaki Home Page(http://www-online.kek.jp/ sosamu/), 参
照 2008 年 12 月 11 日.

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Endcap muon trigger system.” ATL-M UON-2001-002, 2005.
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[35] 上田郁夫 ”ATLAS コンピューティングとグリッド” 日本物理学会 2008 秋
24pZE06, 日本, 東京大学, 2008.
[36] David Quarrie. ”Offline Release Status & Schedule” For ATLAS internal discussions, LBNL, 2008.
[37] Computing Groupe.
ATLAS TWiki(https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/Atlas/AtlasComputing),
参照 2009 年 1 月 16 日.

[38] ATLASJAPAN. ATLAS 日 本 グ ル ー プ ソ フ ト ウ エ ア 講 習 会
2008(http://www.icepp.jp/atlas-japan/tutorials/tutorial2008), 参照 2008 年 1
月 15 日.

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テム稼動に向けて-” 日本物理学会 2008 秋 23pSJ2, 日本, 名古屋大学, 2008.

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整とその検証〜” 日本, KEK, 2009.

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168