LHCとATLAS
神前 純一
KEKATLAS Group
LHC物理解析研究会
東京大学, 2005年1月22日

・はじめに・LHC加速器
・ATLAS測定器
・LHCでの物理

神前 純一、LHC物理解析研究会、2005年1月22日

20世紀から21世紀へ
標準模型の著しい成功
量子電磁弱理論＋量子色力学
特に LEP (1989-2000)において非常に高精度(0.1%)の測定が行なわれた
Loop の効果を通じて直接見えない粒子(top, Higgs)の性質も測定された

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まだ見えていない Higgs 粒子の質量に対しても強い制限がある

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LHCの役割
1. 非常に成功している標準模型の起源は？
電磁弱対称性の破れのメカニズムの解明--> Higgs 粒子の発見とその性質の測定
2. より高いエネルギーの世界はどうなっているのか？
i. 超対称性ii. 余次元
これらの問題に答え、新たに21世紀の物理を切り拓く神前 純一、LHC物理解析研究会、2005年1月22日

神前 純一、LHC物理解析研究会、2005年1月22日

CERN

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円周27km(元LEPトンネル)、地下約100m

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衝突エネルギー
陽子(7TeV) +陽子(7TeV) = 14TeV の衝突エネルギー参考) Tevatron@Fermilab
陽子(980GeV) + 反陽子(980GeV)= 1.96TeVの衝突エネルギー

どのくらいの衝突エネルギーを有効に使えるのか?
陽子は複合粒子 p = u + u + d + ...
-> 1/3 7 TeV + 1/3 7 TeV ≈ 5TeV
ただし低いエネルギーの gluon がたくさんある-> より低いエネルギーの衝突がたくさん起こっている

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ルミノシティ
LHCの目標33

cm-2sec-1

L = 10↓34

L = 10cm-2sec-1

参考) KEK-B factory (陽電子3.5GeV+電子8GeV)
L = 1034cm-2sec-1
Tevatron
L = 1032cm-2sec-1
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Event発生数33

初期ルミノシティL = 2 10 cm-2sec-1
最初の1年間の積分ルミノシティ→10fb-1
物理過程

Event Rate

Event数(1年間)

W→eν

30Hz

108

Z→ee

3Hz

107

tt

1.6Hz

107

bb

200kHz2x1012

Higgs(130GeV)

200/時間5x105

SUSY(1TeV)

20/時間

5x104

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衝突の頻度・2835 bunches/beam
11・10 protons/bunch
・40 MHz beam crossing
25nsecの間隔でビームがすれ違う↓
109 Hz Low energy QCD events↓
106 Hz Hard scattering↓
約102 Hz Data taking
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Dipole Magnet
7TeVの beam energy を得る
ために8.33Teslaの超伝導dipole magnet を1232本使う
1台14.3m
1.9K の He 温度で運転する

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LHC Progress Dashboards
http://lhc-new-homepage.web.cern.ch/lhc-new-homepage/cables delivered

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LHCスケジュール
・2007年春・2007年夏

1-beam での加速を開始
2-beam での運転を行ない1033cm-2sec-1 をめざす。
・2007年末以降 衝突beamでの実験を開始
10fb-1/year : low luminosity runs
・以後2-3年で1034cm-2sec-1 へ到達。
100fb-1/year : high luminosity runs

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二つの汎用実験
ATLAS
CMS
二つの専用実験
LHCb (B-Phyics)
ALICE (Heavy-IonCollision)

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ATLAS Collaboration

・34カ国
・151機関・〜1300 authors
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参加国 top10ランキング
国名予算(MCHF)

参加人数

比

1

United States80.7(17%)232(18%)

1.06

2

CERN

60.5(13%)137(10%)0.77

3France52.8(11%)90(6.9%)

0.63

4

Italy

45.1(9.6%)

141(11%)

1.15

5

Germany40.0(8.5%)

109(8.3%)

0.98

6

United Kingdom34.1(7.3%)

105(8.0%)

1.107Japan

32.2(7.0%)61(4.7%)0.67

8

Russia26.1(5.6%)102(7.8%)

1.39

9

Switzerland

18.5(4.0%)14(1.1%)0.28

10Canada15.1(3.2%)40(3.1%)

0.97

allSum468.4(100%) 1306(100%)

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ATLAS測定器

DiameterBarrel toroid lengthEnd-cap end-wall chamber span
Overall weight
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25 m
26 m
46 m
7000 Tons

Muon Chambers

Tile Calorimeter (Hadr.)
Liquid Ar Calorimeter

Troid Magnets
Inner Detector

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Solenoid Magnet

Magnets
Central SuperconductingSolenoids (2T)

Barrel and End-cap
Superconducting
Toroids

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Barrel Toroid・|η|<1.3
・2 - 6 Tm
・1.08GJ

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End-cap Toroid・1.6<|η|<2.7
・4 - 8 Tm
・2x0.2GJ

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Inner Detector
・Silicon Pixels Detector
・Silicon Microstrip Detector
・Transition Radiation Tracker

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Silicon Pixels Detector

Support Structure

Barrel |η|<1.7:
radius ~ 4, 10, 13cm
σ in rϕ = 12, z = 66 (μm)
End-cap 1.7<|η|<2.5:z 11 - 20 cm
σ in rϕ = 12, r = 77 (μm)
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Silicon Micro-strip Detector

Barrel (4 layers) |η|<1.4:
radius ~ 30, 37.3, 44.7, 52 cm
σ in rϕ = 16, z = 580 (μm)
End-cap 1.4<|η|<2.5:
σ in rϕ = 16, r = 580 (μm)

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Transition Radiation Tracker
Straw tube: 4mm φ
Barrel:|η| < 0.7
radius ~ 56-107 cm

End-cap:
0.7 < |η| < 2.5
radius ~ 64(48) -103 cm

σ /straw = 170 μm
Barrel Inner Detector Support Structre

Inner Detector Performanceσ(1/pT) ≈ 3.5 10-4

1.3 10-2/(pT sinθ) (GeV-2)

charge mis-id. < 2% (μ), < 5% (e) for pT=1TeV
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ATLAS Calorimetry
Tile barrel

Tile extended barrel

LAr hadronic
end-cap (HEC)

LAr EM end-cap (EMEC)
LAr EM barrel

LAr forward calorimeter (FCAL)

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Electromagnetic Calorimeter
Liquid Ar Calorimeter + Pb
with accordion geometry
CoverageBarrel: |η|<1.475
End-cap: 1.375<|η|<3.2
Energy resolution
σ(E)/E = a/ E(GeV)ba ≈ 10%b ≤ 0.7%

Fine granularity (Δη Δϕ)Barrel: 0.025 0.025
End-cap: 0.025 0.025 (1.375<|η|<2.5)
0.1 0.1 (2.5<|η|<3.2)
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Hadronic Calorimeters
Barrel (|η|<1.7)
Iron + scintillating-tile (11λ at η=0)
Δη Δϕ = 0.1 0.1
a = (40-45)%GeV1/2, b = (2-3)%

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Hadronic Calorimeters
End-cap (Liquid Ar)
Cu: 1.5<|η|<3.2Δη Δϕ = 0.1 0.1 (|η|<2.5)
Δη Δϕ = 0.2 0.2 (|η|>2.5)
a = (55-60)%GeV1/2, b = (2.5-3)%

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Hadronic Calorimeters

Forward (Liquid Ar)
Cu+W: 3.1<|η|<4.9Δη Δϕ ~ 0.2 0.2
a ≈ 100%GeV1/2, b ≈ 10%

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測定器としての performanceμ
Inner Detector + Muon System
pT=100GeV のμに対し ≈2% の resolutione, γ(Inner Detector + )EM Calorimeter
E=100GeV に対し ≈1.5% の reslolution
Jet
Inner Detector + Calorimeters
E=100GeV に対し ≈8% の reslolution

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Muon SystemsMuon Spectrometer (|η|<2.7)
Precision chambers : MDT, CSC(fwd)
Trigger system : RPC(barrel), TGC(endcap)

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ATLAS地下実験ホール

地下約100m
長さ 55m
幅32m

高さ 35m

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実験ホールへのInstallation
2004年10月28日
Barrel LAr calorimeter + Solenoid

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2004年11月8日

Barrel Toroid-1

Barrel Toroid-2 も既に install された
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ATLAS実験ホールの Web Camera

http://atlaseye-webpub.web.cern.ch/atlaseye-webpub/websites/pages/UX15̲webcams.htm
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2005年8月?

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LHCでの物理Higgs
SUSY
その他
Exotic search、B-physics、top、
QCD and Electroweak、、、
2007-2008年の「現実」は？
Missing ET の大きな event が多い?
--> SUSY?
Peak があった？
--> Higgs?

何が起きても対応できる準備が必要!
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