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学部生向け特別セミナー

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Academic year: 2021

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(1)

学部生向け特別セミナー

LHCの最新結果と、今後の 素粒子研究の展望についての セミナーです。(

4

年生、外部、

院生 皆さん

welcome

です)

時間

16

時から90分程度

理学部

1

号館10階

1017

号室

1) 6

4

ヒッグス機構と真空の謎 (浅井祥仁)

2) 6

11

(15:30−16:50

までです)

超対称性を探せ:時空と素粒子の融合 (浅井)

3) 6

18

LHC

加速器

・ATLAS検出器の原理と 次世代検出器開発 (小林富雄)

2012年度

(2)

ICEPP Lectures by Prof. Kleinknecht

クラインクネヒト教授特別講義

(理学部

1

号館

233

号室)

7/17 (Tue.)

10:30-12:00 "I. Interactions of particles and gamma radiation with matter"

16:40-18:10 "II. Electrons and ions in gases; Position measurement"

7/18 (Wed.)

10:30-12:00 "III. CP violation uncovered - why Kobayashi and Maskawa

obtained Nobel Prize"

(3)

今日の話の内容

1. LHC加速器

2. Hadron collider の基礎知識 3. ATLAS測定器、CMSとの比較 4. ATLASの現状

5. アップグレード計画

(4)

7TeV 陽子 7TeV 陽子

・ LEPトンネル内に建設(1994年~)

・ 8.3テスラの超伝導磁石

・ 2008年9月に完成、…

・ 3.5+3.5TeV (世界最高エネルギー)

での運転を2010年3月に開始

・今年4月からは 4+4TeV で運転

(TeV = テラ電子ボルト = 10

12

eV)

Large Hadron Collider at CERN 大型ハドロン衝突装置

LHC

(5)

Proton-Proton Collider

Circumference: 26.7 km (using LEP tunnel)

Beam Energy: 7 TeV (Injection E: 450 GeV, PSSPSLHC) 1232 MR dipoles B=8.33 Tesla, L=14.3m, 1.9K (2-in-1 magnets) 368 MR quads

B’=223 T/m, L=3.1m

No. of Bunches: 2808 Bunch spacing: 24.95 ns

Bunch size at IP: 16  m Bunch length at IP: 77 mm

Half crossing angle: 160  rad Luminosity: 10 34 cm -2 s -1

Heavy Ion Collider

Pb-Pb E cm : 1148 TeV

Pb-Pb Luminosity: 10 27 cm -2 s -1 ~23 pp collisions/crossing

LHC Machine Parameters

(6)

The event rate N for a physics process with cross-section s is proprotional to the collider Luminosity L:

To maximize L:

Many bunches (k)

Many protons per bunch (N)

Small beam sizes s * x,y = ( b * e ) 1/2

b * : beam envelope (optics)

e : beam emittance (phase space volume occupied by the beam)

e b

 s

s *

2

*

* 2

4 4

f kN f

L kN

y x

s

L N

Luminosity について

(7)
(8)

LHC 積分luminosity (2010年)

Peak luminosity: 2.1x10 32 cm -2 s -1 ATLAS int. luminosity: 45 pb -1

8

Design luminosity

= 10 34 cm -2 s -1

(9)

LHC 積分luminosity (2011年)

Peak luminosity seen by ATLAS: ~ 3.6x10 33 cm -2 s -1

2010年の ~ 100倍

のデータを取得

(10)

ジュネーブ

CERN

LHC 加速器

4つのLHC実験

CMS

LHCb ATLAS

ALICE

(11)

Length : ~45 m Diameter : ~24 m Weight : ~ 7,000 tons Solenoid : 2 T

Air-core toroids

日本グループが参加

Length : ~22 m Diameter : ~14 m Weight : ~ 12,500 tons Solenoid : 4 T

Fe yoke

Compact and modular

General purpose detectors for pp collisions

ATLAS

CMS

(12)

ATLAS A Toroidal LHC ApparatuS

µ

CMS Compact Muon Solenoid

µ

Muon Detection and Magnet System

|h| < 2.7 air-core |h| < 2.4 Fe

(13)

ATLAS CMS

TRACKER Si pixels + strips

TRT → particle identification σ/p

T

~ 4x10

-4

p

T

⊕ 0.01

Si pixels + strips

No particle identification σ/p

T

~ 1.5x10

-4

p

T

⊕ 0.005 EM CALO Pb-liquid argon

σ/E ~ 10%/√E uniform longitudinal segmentation

PbWO

4

crystals σ/E ~ 2-5%/√E

no longitudinal segmentation

HAD CALO Fe-scint. + Cu-liquid argon (  10 λ)

σ/E ~ 50%/√E ⊕ 0.03 Brass-scint. (  5.8 λ + catcher) σ/E ~ 100%/√E ⊕ 0.05

MUON MDT, CSC, RPC, TGC σ/p

T

~ 7 % at 1 TeV standalone

DT, CSC, RPC

σ/p

T

~ 5% at 1 TeV

combining with tracker

(14)

ATLAS実験

(A Toroidal LHC Apparatus)

・直径 22m、長さ 44m、重さ 7000t

・世界最大の超伝導トロイド磁石

・粒子検出器のセンサー数は全部で約1億チャンネル

・38ヵ国からの約3000名の研究者による国際共同実験

・日本グループ(16の大学・研究所、110名)はミューオン トリガー検出器、内部飛跡検出器、ソレノイド超伝導磁石 などに貢献

(15)

ATLAS実験の超伝導トロイド磁石

2005年11月

(16)

ATLAS Tracking Detectors

2 Tesla solenoid s/p T ~ 5x10 -4 p T  0.01

Transition Radiation Tracker (TRT) (4×10 5 channels) with e/ separation

Si Strips Tracker (SCT) (6 × 10 6

channels) Pixels

(0.8×10 8 channels)

(17)

B = 2T B = 4T

Comparison of Tracking for ATLAS & CMS

(18)

Calorimetry

Barrel

End-cap

Electromagnetic Calorimeter barrel, end-cap: Pb-LAr

~10%/√E energy resolution e/γ

180’000 channels: longitudinal segmentation Hadron Calorimeter

barrel Iron-Tile, EC/Fwd Cu/W-LAr (~20000 channels) s/E ~ 50%/E  0.03 pion (10 )

Trigger for e/γ , jets, missing E

T

Coverage |h|<5

Tile

(19)

Muon System Stand-alone momentum resolution ΔpT/pT < 10% up to 1 TeV

~1200 MDT precision chambers for track reconstruction (+ CSC)

~600 RPC and ~3600 TGC trigger chambers

2-6 Tm |h|<1.3 4-8 Tm 1.6<|h|<2.7

(20)

ATLAS実験:日本の貢献

ミューオントリガー検出器

内部飛跡検出器 超伝導ソレノイド磁石

LHC Computing Grid

地域解析センター ビーム最終収束 超伝導四極磁石

(21)

Hadron Collider Basics

“Transverse mass”:

(Transverse energy) Rapidity:

Pseudorapidity: h = 0 ↔ q = 90

°

1 ↔ 40.4

°

2 ↔ 15.4

°

3 ↔ 5.7

°

4 ↔ 2.1

°

5 ↔ 0.77

°

( y  h, as m  0)

 D y : Lorentz inv. in z -direction

(22)

Parton Distribution Functions

(23)

PDF

Underlying Event PDF ME+PS

Fragmentation

p p

Jet cone/k T

N(N)LO

QCD Processes and

Experimental Complications

- Parton distribution function (PDF) - Underlying events

- Matrix element (pQCD calculation) - Parton shower (ME+PS matching) - Fragmentation (Hadronization) - Jet finding algorism

- Jet energy scale calibration - Pile-up events

PS

(24)

Period A:

up to end August

Period B:

Sept-Oct

Z   event with 20 reconstructed vertices

(Ellipses have 20 s size for visibility reasons)

(25)

W boson 生成

E T miss distribution for events with e or  with p T >20 GeV

(26)

W transverse mass 分布

(27)

Z boson 生成

(28)

Summary of main electroweak

and top cross-section measurements

Inner error: statistical Outer error: total

σ (pp  H ) m H =130 GeV

→ SM予想値とよい一致

ATLAS

Inner error: statistical

Outer error: total

(29)

ML

V1.1

Jan Feb Mar

Wk 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Mo 2 9 16 23 30 6 13 20 27 5 12 19 26

Tu

We 1-Feb

Th 1-Mar

Fr Sa Su

Apr May June

Wk 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

Mo 2 9 16 23 30 7 14 21 28 4 11 18 25

Tu We

Th Fr Sa Su

July Aug Sep

Wk 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39

Mo 2 9 16 23 30 6 13 20 27 3 10 17 24

Tu We

Th Fr Sa Su

Oct Nov Dec

Wk 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52

Mo 1 8 15 22 29 5 12 19 26 3 10 17 24

Tu We

Th Fr Sa Su

Technical Stop

Recommissoning with beam Machine development Ion run

17/1/2011

2012 LHC Schedule

Approved by Reseach Board December 2011

Easter

G. Friday

1st May

Whit

Ion Beam to SPS  

Ion beam setup  

Ascension

IONS Start ion

physics  

Re-commissioning with beam  

End ion run

End non-LHC proton physics  

J. Genevois

Technical stop  

Scrubbing run  

(date tbc)  

Hardware  

commissioning  

Special runs (TOTEM etc.) to be scheduled MD

Machine checkout

SHUTDOWN LS1 Start partial

powering tests

  Start full powering

tests  

LHC POWERING TESTS

Xmas Floating MD

[24 h]

Floating MD [24 h]

DSO tests

LHC 今年の

運転予定

pp衝突: 4/7

~

10/16 ビームエネルギー = 4 TeV ピークルミノシティ

~

6.8*10

33

cm

-2

s

-1

積分ルミノシティ

~ 15 fb -1

Pb-Pb衝突: 10/31

~

11/23 その後、長期シャットダウンに

29

(30)

8 TeV run

Z   event with

25 reconstructed vertices

(31)

31

Delivered as of June 17

Update of one of S. Myers RRB slides

(10 fb

-1

)

(32)

LHC beam parameters

2010年 2011年

(nominal)

2011 年

(ultimate)

Beam energy (TeV) 3.5 4(?) 4(?)

Number of particle per bunch 1.22x 10 11 1.22x 10 11 1.22x 10 11

Number of bunch 368 960 1400

Bunch spacing (ns) 150 75 50

Beta* (m) 3.5 2.5 2.0

Luminosity (cm -2 s -1 ) 2 × 10 32 6.4 × 10 32 20.0 × 10 32 Integrated Lumi in 200days (fb -1 ) 0.05 2.2 7.6

Stored energy (MJ) 28 72 134

7TeV 8TeV 13TeV 14TeV

→ 3000fb -1 by 2030

The 10 Year Technical Plan

14TeV 14TeV

Shutdown LS1

Shutdown for HL-LHC 5fb -1 ~15fb -1

300fb -1 Shutdown

LS2 100fb -1

ATLAS Phase-I

Upgrade

(33)

ATLAS Phase-I Upgrade

during LS2(2018)

(34)
(35)
(36)
(37)

Micromegas + sTGC

(38)

1908 Rutherford & Geiger: Wire counters with gas amplification 1928 Geiger & Mueller: GM counter

~1945 Charge measurements with proportional tube counters 1968 Charpak: MWPC

(Drift chambers, Jet chamber, TPC, ---)

(1983 Majewski, Charpak, Breskin, Mikenberg: TGC) 1988 Oed: MSGC (micro-strip gas chamber)

History of Gaseous Detectors

(39)

(Thin gap chamber) TGC

(40)

- MSGC (micro-strip gas chamber) - -PIC (micro-pixel gas chamber) - GEM (gas electron multiplier)

- Micromegas (micro-mesh gaseous detector) - - -

MPGD

(Micro-pattern gas detector)

(41)

GEM

Gas electron multiplier

(1997, F. Sauli)

(42)

Micromegas

Micro-mesh gaseous detector (1996, I. Giomataris)

 Parallel-plate

avalanche chamber

(43)

Bulk-Micromegas

Simple production technique for large area detectors

(2006, I. Giomataris)

(44)
(45)

Spark-resistant bulk-micromegas

参照

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