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日本におけるアトラス実験の進め方

KEK 素核研研究計画委員会

2005.5.31 近藤敬比古 (KEK)

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あらかじめ

・「アトラス実験の進め方」と言われても、すでに進行中のプログラムなので、大部分が経過と現状の紹介になります。

・次世代の国際協力実験の参考にしてください。

・ LHC 物理の可能性については 2005 年 4 月 6 日の前回会合での浅井氏の発表を参照してください。

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LHC 計画の予算規模

（１）建設費

LHC 加速器と土木工事　 　 　　　 2950 億円 実験装置　 　　 1683 億円 (factor ×1.5 込み )

　 ATLAS 529 MCHF 　　　　CMS 518 MCHFALICE 125 MCHFLHCb 75 MCHF

CERN 人件費（ LHC 分） 　 886 億円　　　　　　

　　 　　　 総 計　　　　 　　 ～　 5500 億円

（２）運転経費

　　　 CERN の経費（計算機含む） 225 億円 / 年　　　外が出す実験運転経費（ 4 実験を含む ) 　　 40 億円 / 年

総 計　　　 　 ～　 265 億円 / 年

( 1CHF=90 円で換算 )

LEP トンネルや SPS など既存設備を含まないことに注意。

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• 1994.12 LHC 計画は 1994 年 12 月に承認された。– 2004 年までに ECM = 10TeV, 2008 年までに 14TeV の２段階で建設。

• 1995.5 日本による第１次建設協力発表（加速器に 50 億円）• 1996.1 ATLAS, CMS 実験の承認。• 1996.3 インドの建設協力（加速器に $12.5M ）• 1996.6 ロシアの建設協力（ 67MCHF detector 込）• 1996. カナダの建設協力（加速器に Canadian$30M ）• 1996.12 日本の第２次建設協力（加速器に 38.5 億円）• 1996.12 LHC を 2005 年に一段階で 14TeV で建設する決定。• 1997.12 アメリカ DOE+NSF による建設協力の決定 ( 加に $200M 、測に $331M)

• 1998.5 日本が第３次建設協力発表（加速器に 50 億円）。日本の合計は 138.5 億円。• 2000.11 LEP の運転を終了。• 2001.9 LHC 建設コストの増加問題。• 2001.12 External Review Committee （ ERC ）を設置する。 • 2002.6 ERC 報告。 LHC 加速器の完成を 2007 年に変更。

LHC 計画の主な歴史

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ATLAS DetectorDiameter 25 mBarrel toroid length 26 mEnd-cap end-wall chamber span 46 mOverall weight 7000 Tons

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ATLAS Collaboration

34 Countries 151 Institutions~1300 Scientific Authors

Construction cost ~ 540 MCHF + Construction since 1996 (11 years to initial det.)

Albany, Alberta, NIKHEF Amsterdam, Ankara, LAPP Annecy, Argonne NL, Arizona, UT Arlington, Athens, NTU Athens, Baku, IFAE Barcelona, Belgrade, Bergen, Berkeley LBL and UC, Bern, Birmingham, Bonn, Boston, Brandeis, Bratislava/SAS Kosice,

Brookhaven NL, Bucharest, Cambridge, Carleton/CRPP, Casablanca/Rabat, CERN, Chinese Cluster, Chicago, Clermont-Ferrand, Columbia, NBI Copenhagen, Cosenza, INP Cracow, FPNT Cracow, Dortmund, JINR Dubna, Duke, Frascati, Freiburg, Geneva, Genoa,

Glasgow, LPSC Grenoble, Technion Haifa, Hampton, Harvard, Heidelberg, Hiroshima, Hiroshima IT, Indiana, Innsbruck, Iowa SU, Irvine UC, Istanbul Bogazici, KEK, Kobe, Kyoto, Kyoto UE, Lancaster, Lecce, Lisbon LIP, Liverpool, Ljubljana,

QMW London, RHBNC London, UC London, Lund, UA Madrid, Mainz, Manchester, Mannheim, CPPM Marseille, MIT, Melbourne, Michigan, Michigan SU, Milano, Minsk NAS, Minsk NCPHEP, Montreal, FIAN Moscow, ITEP Moscow, MEPhI Moscow, MSU Moscow, Munich LMU, MPI Munich, Nagasaki IAS, Naples, Naruto UE, New Mexico, Nijmegen, Northern Illinois,

BINP Novosibirsk, Ohio SU, Okayama, Oklahoma, LAL Orsay, Oslo, Oxford, Paris VI and VII, Pavia, Pennsylvania, Pisa, Pittsburgh, CAS Prague, CU Prague, TU Prague, IHEP Protvino, Ritsumeikan, UFRJ Rio de Janeiro, Rochester, Rome I, Rome II, Rome III,

Rutherford Appleton Laboratory, DAPNIA Saclay, Santa Cruz UC, Sheffield, Shinshu, Siegen, Simon Fraser Burnaby, Southern Methodist Dallas, NPI Petersburg, Stockholm, KTH Stockholm, Stony Brook, Sydney, AS Taipei, Tbilisi, Tel Aviv,

Thessaloniki, Tokyo ICEPP, Tokyo MU, Tokyo UAT, Toronto, TRIUMF, Tsukuba, Tufts, Udine, Uppsala, Urbana UI, Valencia, UBC Vancouver, Victoria, Washington, Weizmann Rehovot, Wisconsin, Wuppertal, Yale, Yerevan

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ATLAS 測定器の構成（赤は日本グループが関与）

• マグネット–超伝導ソレノイド (B=2T)–中央・端部超伝導トロイド (Bdl=2-8Tm)

• 内部飛跡検出器 –シリコンピクセル検出器–シリコンマイクロストリップ検出器–遷移輻射ストロー検出器

• カロリメター –電磁カロリメメター : 鉛 -LAr–ハドロンカロリメター : 鉄 - シンチタイル ( 中央 ), 銅 -LAr ( 前後

方 ) –前方カロリメター : ( 電磁 ) 銅 -LAr, ( ハドロン ) W-LAr

• ミューオン検出器–高精度チェンバー : MDT, CSC( 前後方 ) –トリガーチェンバー : RPC( 中央 ), TGC ( 前後方 )

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ホストラボ：ＣＥＲＮと国際実験チームの関係

ＣＥＲＮ　Management

Ｒ　Ｒ　Ｂ（ Resource Review

Board)

アトラス実験チーム　・ Collaboration Board　・ Spokesperson　・ Executive Board　・ ………… .

各参加国の財政機関

米 (DOE/NS

F)仏 (IN2P3)

仏 (CEA)

独 (BMBF)

独 (MPI)

イタリア

日 ( 文科省 )

建設 MoU運転 MoU計算機 Mo

U

予算承認

ＣＥＲＮ

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MCHF

日本分

ピクセル検出器 15.3 0 仏 , 米 , 伊 , 独 ,…….

シリコン検出器 49.2 6.9日 , 英 , 米 , スイス , 独 ,…….

TRT 検出器 16.3 0CERN, 米 , 露 , スエーデン…

液体アルゴン 75.9 0仏 , 米 , 伊 , 独 , 露 , 加…… .

タイルカロリメター 16.7 0

CERN, 米 , 露 , スペイン…

ミューオン MDT 23.7 1.5独 , 露 , 伊 , 米 , 日 ,…….

ミューオン RPC 5.2 0 伊 , CERN

ミューオン TGC 6.1 3.8 日 , イスラエル , 中

ATLAS 建設国際分担 （大きな分のみ） (1)

（　 1 MCHF ～ 0.9 億円　）

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MCHF

日本分

レベル１トリガー 15.7 3.0英 , 独 , 日 , 伊 , CERN,…

ハイレベルトリガー 31.0 1.5

CERN, 米 , 仏 , 英 , 日 ,独 , 伊… ..

超伝導トロイド 111.7 0 仏 , 英 , 伊 , 独 , 蘭超伝導ソレノイド 10.9 10.9 日マグネットインフ

ラ 23.7 0.9独 , 露 , 伊 , 米 , 日 ,…….

Trigger/DAQ 7.2 0.9 CERN , 他多数実験室インフラな

ど 28.2 1.3 CERN , 他多数

合　　　計 474.8 32.1 日本の割合 = 6.7 %

ATLAS 建設国際分担 （大きな分のみ） (2)

（　 1 MCHF ～ 0.9 億円　）

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Subdet.

検出器部分 kCHF 国別分担

TGC

TGC Chamber

3390

Israel (63%), Japan (37%)

Installation 170 Japan (100%)

Front-end elec.

1500

Japan (100%)

Low voltage 100 Japan (95%), Israel (5%)

High voltage 400 Japan (95%),Israel (5%)

gas system 500 Japan (85%), Israel (15%)

TGC frame 440 Japan (80%), Israel (20%)

TGC support 500 Japan (74%), Israel (26%)

TGC インフラ 945 Japan (89%), Israel (11%)

L1 TGC trigger elec.

3465

KEK, Tokyo MU (91%); Weizmann(9%)

MDT TDC 1415

KEK, Tokyo UAT (100%)

検出器項目ごとの国 / 機関別分担：日本が関係している部分　（１）

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検出器部分 kCHF 国別分担

SCT

Barrel sensor

8600

Japan (57%), UK (25%),Norway (18%)…..

Hybrids 3940

UK (25.7%), USA (15.8%), Japan (14.4%)…..

Module Assembly

2180

UK (25.7%), Germany (16.5%), USA (15.2%),Japan(13.9%), Geneva (12.3%),……

Data-links 2620

UK (45.6%),Japan (17.6%), CERN (15.8%)….

CF cylinder 2590

Geneva (40.0%), UK (30%), Japan (25.0%)

HLVDAQ

Event Builder

3710

Bern, Geneva (32%); CERN (27%); KEK, Nagasaki(27%) ; Saclay (18%)

Event Filter and Back-End

5675

Bern, Geneva (19%); CERN (25%);Pavia,Udine (23%); Innsbruck (5%) KEK,Nagasaki(9%), Lisbon (5%); Mainz(13%)…

コモン

Central Solenoid

10900

KEK (100%)

検出器項目ごとの国 / 機関別分担：日本が関係している部分　（２）

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国 直接建設費 MCHF 研究機関数 メンバー数1 アメリカ合衆国 80.74 (17 %) 33 232 (18 %)

2 CERN 60.50 (13 %) 1 137 (10 %)

3 フランス 52.76 (11 %) 7 90 (6.9 %)

4 イタリア 45.09 (9.6 %) 12 141 (11 %)

5 ドイツ 40.00 (8.5 %) 10 109 (8.3 %)

6 イギリス 34.11 (7.3 %) 12 105 (8.0 %)

7 日本 32.18 (7.0 %) 15 61 (4.7 %)

8 ロシア 26.12 (5.6 %) 8 102 (7.8 %)

9 スイス 18.51 (4.0 %) 2 14 (1.1 %)

10 カナダ 15.08 (3.2 %) 7 40 (3.1 %)

34 合　　　計 468.41 (100%) 149 1,306 (100 %)

アトラスの財政分担・参加機関・研究者数（トップ１０）

註：直接建設費＝装置の製造コストで開発・試験・ offline 計算機・人件費などは含まない。数値は建設 MoU(1998 年 ) による。この他に建設費のオーバーコスト分が 14% 要求されている。

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アトラス日本グループ構成（１）

研究機関 Staff/PD 大学院生 担当

1 KEK ～ 20 (*) 0Solenoid, TGC チェンバー , TGC エレキ , Silicon, TDC, DAQ, Software

2 筑波大学 4 4 Silicon

3東京大学 ICEPP 12 9 TGC チェンバー , TGC エレ

キ Computing

4 首都大学東京 2 0 TGC エレキ

5 信州大学 2 2 TGC チェンバー , DAQ

6 立命館大学 1 0 Software

7 京都大学 (1) 0

(*) 含兼業

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アトラス日本グループ構成（２）

研究機関 Staff/PD

大学院生 担当

1 京都教育大学 1 0 Silicon

2 大阪大学 2 0 TGC エレキ

3 神戸大学 6 6 TGC チェンバー , TGC エレキ , Software

4 鳴門教育大学 1 0 Software

5 岡山大学 3 3 Silicon

6 広島大学 (1) 0 (Silicon)

7 広島工業大学 1 2 DAQ

8 長崎総合科学大学 2 0 DAQ

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合　　　計 59 26

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・電磁カロリメターの内側なので肉厚を極力薄くした：

　　→　高強度のアルミニウムを採用（古河・日立電線と技術開発）

　　→　クライオスタットを液体アルゴンカロリメータと共用

アトラス超伝導ソレノイド： KEK が提案・設計・開発・建設を 100% 担当

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アトラス超伝導ソレノイド　（ 100% by KEK ）　

東芝京浜工場（ 1999 年） 励磁成功（ 2000 年 12 月）

CERN に到着（ 2001 年 9月）

Maiani 所長らとLAr クライオスタットへ据付 (2004 年 2

月）

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2004 年 7月 5日 CERN 地上試験で 8197 アンペアを達成した。

2004 年 10 月にアトラス地下実験場に運搬された。

　

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端部ミューオントリガーのためのThin Gap Chambers (TGC)

3600 chambers 320,000 channels Total area ~2,000m2

イスラエル・日本・

中国の共同製作

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KEK富士実験室で 1200台の TGCを量産

2台 / 日の生産スピードを達成でき、4 年間の量産を完

了できた。カーボン塗布

接着作業

ワイヤー巻き

半田付け

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宇宙線による TGC全数検査＠神戸大学

宇宙線を使った TGC チェンバー検査ステーション

CERNへ海上輸送

宇宙線による efficiency map

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CERN に着いた TGC はテスト後、ビッグウイールにマウントされる。

TGC チェンバーを載せるビッグウイールの組立を開始。このようなセットを７２台作り、チェンバーとエレキをマウントしてから地下実験場に運び込む。

CERN に着いた TGC チェンバー

チェンバーのマウントテスト

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16ch ASD ボード（ 24000 台）

SLB ASIC の量産中2004 年の CERN でのビームテストセット ビッグウイール取付テスト

TGC読出トリガー回路

ほぼ 100% を設計・生産を日本で行っている。

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24ch TDC チップを約２万個生産した

ハーバード大の ASD チップと共に基板に実装され、世界各地で MDT 検出器に取り付け中。一部はすでに ATLAS 測定器に組み込まれた。

高精度ミューオン飛跡検出器（ＭＤＴ）用の TDC LSI チップ

KEK がすべて設計・製造した。このＴＤＣのアイデアでいくつかの特許をとった。

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- 10- 8- 6- 4- 202468

10

0 200 400 600 800 1000時系列

mid

yf

[μm

]シリコンマイクロストリップモジュールの製造　　　　　　　　　　　　

４センサーで１モジュール

日本のモジュール設計が基本となった。2600台中 980台を日本で製造し完了した。

センサーアラインメント装置（ KEK製）

日本の作ったモジュールの精度は２ミクロン以下で他国のそれより格段に良かった。

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KEK で設計し日本の企業が作ったマウンティングロボット（２台）が目下オックスフォード大学で活躍中。 ～ 100台 /week

シリコンマイクロストリップモジュールの据付＠ Oxford 大　　　　

　　　　　　　

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Geant4 の構築• 日本グループと CERN との間で 1994 年に共同提案された→　

RD44

• LHC級の大規模で多くのユーザーに適するオブジェクト指向の技術を採用し、ゼロから構築した。

• 1998 年に 1st version が出た。• 全LHC 実験が Geant4 を採用。

• CERN ・ KEK ・ SLAC などの間で維持協定が結ばれている。

• アトラスではすでに 35,000 の jobs が走らせたが、 Geant4 に起因するバグは出てない。

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LHC の 4 実験で 1 年間に蓄積されるデータを全部 CDROM に焼いたとすると図のようになる。

ATLAS だけで年間 5PB( ペタバイト =1015 バイト ) に及ぶ。

raw data size 1.6 MB event rate 200 Hz ESD size 500 kB AOD size 100 kB

ＬＨＣデータ解析

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LHC でのこの問題の解決方法

• 世界中の研究機関で計算資源を出し合い、共同で運用する。→ LCG ( LHC Computing Grid )

• Tier-0 (CERN) ：　生データを保管する。生データに第一段階処理を施し、その結果 (ESD) を生データとともに Tier-1 センターに転送する。

• Tier-1 ：　世界に十カ所程度ある大規模計算センター。生データと ESD を保管する。また、 ESD を処理し解析用のAnalysis Object Data (AOD) に変換し、 Tier-2 センターに転送する。

• Tier-2 ： 各国に設置される物理解析センター。シミュレーションも行う。

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アメリカ

オランダ

中国

イギリス

フランス ドイツ イタリアカナダ

ロシア

イスラエル

CERN

KEK 地域解析センター＠ＩＣＥＰＰ

建設・運転・維持

実験データ

日本の研究者群： KEK, 筑波大・東京大・首都大学東京・信州大・立命館大・京都大・京都教育大・大阪大・神戸大・鳴門教育大・岡山大・広島大・広島工業大・長崎総合科学大

アトラス測定器@CERN

日本

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CNAF PICLyon

GridKA

RAL

BNL

TRIUMFNIKHEF

ICEPP

CERNTier-0

Tier-2 centers

Alice

ATLAS

CMS

LHCb

Tier-3desktop

FNAL

Nordic

CERN

Tier-1 centers

LCGによるLHC実験のデータ解析

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東京大学 ICEPP にて開発・準備を進めている計算機ファーム

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LCG プロジェクト 今後の予定

SC2SC2SC3SC3

LHC Service OperationLHC Service OperationFull physics run

2005 20072006 2008

First physicsFirst beams

cosmicsFull physics run

2005 20072006 20082005 20072006 2008

First physicsFirst beams

cosmics

2005年6月実施計画書提出

2005年9月サービスチャレンジ第3期

2006年5月サービスチャレンジ第4期

2006年9月LHC実験用運用開始

SC4SC4

2007年4月LHC本実験試運転

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アトラス日本グループ：当面の主要目標

（１）　測定器建設の日本分担分を完成する。

（２）　地域データ解析センターを整備する。

（３）　 2007 年実験開始に向けてデータ解析の準備を行う。

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アトラス地下実験室の様子（ 2005.5.11 ）８台のうち４台のバレルトロイドマグネットが据付済

2005.5.31早朝

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（１）　測定器建設の日本分担分を完成する。

・　 TGC チェンバーのビッグウイール組立・据付・試運転

・ TGC トリガー回路の量産・取付・据付・試運転

・ シリコンマイクロストリップ検出器の組立・試運転

・ ソレノイドの設置・試運転

これらすべて現場作業なので大変！

アトラス日本グループ：当面の主要目標

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（２）　地域データ解析センターを整備する。

・　東京大学 ＩＣＥＰＰから概算要求する

・ 計算機システムの導入と運転

・　グリッド環境の導入

・ アトラス解析ソフトウエアー環境の整備

・ 各種チュートリアルの実施

アトラス日本グループ：当面の主要目標

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アトラス日本グループ：当面の主要目標

（３）　 2007 年実験開始に向けてデータ解析の準備を行う。

・　複数の特定物理プロセスの Full Simulation

・　アトラス検出器とソフトウエアの理解の必要性

・ イベントジェネレーターの開発および理解

・　 QCD バックグランドの基本的理解と実際的応用

・ CDF, ZEUS, 理論との連携

・　解析前線で活動するにはＣＥＲＮでの長期滞在が不可欠

・　各国が競争に続々参加しつつあるー＞多人数が必要

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ま　と　め• 国際協力はＣＥＲＮと各財源機関との間で署名された覚書

（ MoU ）の基づいて行われている。

• 参加各国によるアトラス測定器の建設と財政の分担は、 1998 年の建設 MoU で決められた。

• 日本担当のハードウエアー建設はほぼ順調に進んでいる。これから２年間、現地での組立・据付・試運転が正念場である。

• 地域データ解析センターを東京大学 ICEPP に設置する予定。

• データ解析準備に向け、いろいろな取り組みを行っている。

• 現地で日本関係の研究者が不足している。やりがいのある仕事・課題は山ほどあり、皆さんの参加を大歓迎します。