国際リニアーコライダー測定器 - JLC

国際リニアーコライダー
測定器
宮本彰也
高エネルギー加速器研究機構(KEK)
WWS組織委員
2008年1月9日
名古屋大学、ILCセミナー
ILC測定器研究組織図
ICFA
ILCSC
国際ILC物理測定器研究組織（1998~)
Worldwide Study of the Physics and Detectors
for future e+e- Linear Collider
(WWS)
加速器
共同議長
GDE
•J.Brau(北米）
•F.Richard(欧州）
•山本均（アジア）
組織委員会
アジア・欧州・北米より６人ずつ
MDI
R&D
Soft
Road
map
各種委員会
GLD
LDC
SiD
LDC
測定器研究グループ
2007年以降、実験プログラムは Research Director担当、
WWSはユーザコミュニティー代表、の体制に移行（中）
宮本彰也、 KEK
名古屋大学、ILCセミナー
2
電子陽電子衝突反応
H
t=0 秒
e+
e-
Z
宮本彰也、 KEK
名古屋大学、ILCセミナー
3
電子陽電子衝突反応
t~10-23 秒
q
q
H bb : ~68%
WW: ~14%
 tt- : ~7%
 gg: ~7%
- ~3%
 cc:
 ….
Zqq ~70%
nn- ~21%
- - ~ 6%
ee,mm
tt ~3%
q
q-
宮本彰也、 KEK
名古屋大学、ILCセミナー
4
電子陽電子衝突反応
t~10-22 秒
グルオン生成
宮本彰也、 KEK
名古屋大学、ILCセミナー
5
電子陽電子衝突反応
t≤10-13 秒
ハドロナイズ
緑：超短寿命粒子
宮本彰也、 KEK
名古屋大学、ILCセミナー
6
電子陽電子衝突反応
t>10-12 秒
ct ≥ 0.1 mm
短寿命粒子
赤：荷電粒子
ct0 ~ 0.1mm
e ,m ,p, p, k 
B ,0, D ,0, t
青：中性粒子
中間寿命粒子
n, k0, g
ct0 ~ O(0.1m)
k0, S0, …
宮本彰也、 KEK
名古屋大学、ILCセミナー
7
素粒子反応の測定
ヒッグス粒子の生成・崩壊の様子
（シミュレーション）
シャワー測定器
（カロリメータ）
反応点測定器
飛跡測定器
ヒッグス粒子の生成・崩壊の様子
4m
12cm
（シミュレーション）
宮本彰也、 KEK
名古屋大学、ILCセミナー
8
測定の原理
 測定器で測定できるもの
 荷電粒子（p, p, k, e, m, ..)
 磁場中での粒子の軌跡運動量
 中性粒子(g, n, k0L, …)
 粒子の全エネルギーの測定  カロリーメータ
 ニュートリノ：測定できない
(e+e- の初めの運動量) – (測定された全運動量）＝ニュートリノの運動量
 素粒子の同定
 測定した粒子の同定
 短寿命粒子 崩壊点の測定（バーテックス測定器）
 素粒子(H,Z, quarks,..)の同定
– 質量（不変質量）、スピン（各分布）
– 結合の強さ（生成断面積、崩壊分岐比）
宮本彰也、 KEK
名古屋大学、ILCセミナー
9
ILCのクリーンな環境
STAR
金＋金
LHC
陽子＋陽子
（ジュネーブ）
（ブルックヘブン）
ILC：電子＋陽電子
イベント再構成
HD CAL
EM CAL




トラッカー
荷電粒子：トラッカー
光子：EM CAL
中性ハドロン： HD CAL + EMCAL
b/c ID: バーテックス測定器
e+e-  Z0  2 ジェット
DE/E(Dp/p)
運動量/エネルギー分解能の比較
HD CAL
DE/E=50%/√E
EM CAL
DE/E=15%/√E
トラッカー（TK)
Dpt/pt=5x10-5pt
p(GeV/c)/E(GeV)
高精度ジェットエネルギ測定
大口径CAL、高磁場、細密読み出しで、中性粒子と荷電粒子を分離
 Particle Flow Analysis(PFA) カロリーメータ
宮本彰也、 KEK
名古屋大学、ILCセミナー
11
ILC 測定器
カロリーメータ
中性粒子の測定
DE/E <½ x LEP
W/Z 分離
ILC
W
Z
バーテックス測定器
b/c/t 同定
Rvtx < 1/5 x LHC
c同定効率
の向上
LEP
W
Z
モデルによらない
ヒッグス粒子測定
トラッカー：荷電粒子測定
Dpt/pt : 1/10 x LHC
宮本彰也、 KEK
名古屋大学、ILCセミナー
12
ILC 測定器案
GLD
PFA CAL
ガス飛跡検出器
3T磁場
アジア起源
16x16x16m3
~1.5万トン
SiD
PFA CAL.
半導体秘跡検出器
5T磁場
北米起源
4th
LDC
PFA CAL
ガス飛跡検出器
4T磁場
ヨーロッパ起源
非PFACAL.
ガス飛跡検出器
3.5T磁場(2層磁石)
GLD+LDC  ILD
宮本彰也、 KEK
名古屋大学、ILCセミナー
13
ILC Reference Design Report
2007年夏完成: http://www.linearcollider.org/cms/?pid=1000437
RDR: 4 巻/ 774 ページ
エグゼクティブ ILCの物理
サマリー
加速器
宮本彰也、 KEK
名古屋大学、ILCセミナー
測定器
14
RDR 著者
北米
アジア
欧州
~325 研究機関
~1800 著者
GDE plan and Schedule
Next milestore
ILC測定器開発計画
 測定器の準備研究は加速器の計画と並行して進める
測定器建設には加速器建設と同程度の時間がかかる。
 2010に: ‘light’ two detector EDRs
 加速器EDRと同時期に、測定器EDRs を用意する
 建設のためのものではない。が、測定器のコストが加速器と同程度に
評価できるもの。
 2008: LOIs に基づき、EDRｓを書く測定器グループを決める。
 2007年秋：
 ILCSCは2008年10月1日まで提出するように呼び掛ける。
 ILCSCはILC実験プログラムを遂行するために、Research Director
を任命（山田作衛氏）
宮本彰也、 KEK
名古屋大学、ILCセミナー
17
ILD
http://www-flc.desy.de/ild/
 経緯
• 2007.6 GLDとLDCは共同してLOIを作成することに合意
ガス飛跡検出器とPFAカロリーメータを用いた測定器
• 2007.夏 ILD Joint Executive Board 組織結成
• 2007.秋 First ILD Meeting, FNALにて。測定器パラメータの再検討開始
 今後
• 2008 春測定器パラメータの合意。 2008.10 LOI 提出へ
 ILD組織
Joint Steering Board
G.Wilson
D.Karlen
GLD
MDI/Integ
ration WG
H.Yamamoto
Y.Sugimoto
Optimization
WG
T.Behnke
H.Viedau
Cost
WG
LDC
Sub-Detector
WGs
国際ビデオ会議を活用して測定器検討を進めている。
宮本彰也、 KEK
名古屋大学、ILCセミナー
18
測定器開発の競争／協力体制
シャワー測定器：カロリーメータ
EM-Scintillator-layer model
absorber plate
 EM CAL:
x 13 super layers
TT 8June05
 シンチ(2mm厚）とタングステン(3mm厚）、３３層
T-Layer
 読み出し： 1x5cm2セル、約１０００万チャネル
4cmx4cmx2mm
 HD CAL:
MPC R/O with WLSF
 シンチレータ（5mm厚）と鉄(20mm厚）、４６層
X-Layer
1 cmx20cmx2mm
 読み出し：1x20cm2 & 4x4cm2、約6００万チャネル
MPC R/O with WLSF
 読み出し
 強磁場中（３T)で動作する光検出器
 チャネル単価が安価
Z-Layer
1 cmx20cmx2mm
GLC-CAL super layer
 高速応答
MPC R/O with WLSF
particles
 新素子を使った読み出し
試作シンチレータ
 Multi-Pixel Photon Counter
宮本彰也、 KEK
名古屋大学、ILCセミナー
20
Multi Pixel Photon Counter
MPPC: 浜松フォトニクス(HPK)と共同開発中
高光検出効率 : 〜60%
高ゲイン：~ 106
高速 : 時間分解能：〜50ps
低電圧：〜60V
磁場内で作動 : 5テスラOK
１光子計測
安価、光電子増倍管にとって代わる可能性
PETなど多くの応用可能性
~1mm
~2mm
MPPC(HPK)
subtrate
各ピクセルがガイガーモードで作動
ピクセルヒットの数＝入射光子の数
ダイナミックレンジ ~ ピクセルの総数(百  数千）
宮本彰也、 KEK
名古屋大学、ILCセミナー
21
PFA: シミュレーションによる研究
イベントの例
ジェットモードでの
ヒッグス再構成
Z
H
PFAによる
CALヒットとトラックの再構成
結合
g g
非結合
状況により
結合
g
18 GeV
30 GeV
12 GeV
ヒットトポロジーに応じて
トラックとの対応付け
10 GeV Track
トラック情報を使って、再帰的再構成
宮本彰也、 KEK
名古屋大学、ILCセミナー
22
飛跡検出器：TPC
読み出し：ワイヤー MPGD
TPCの動作原理
MWPC
MPGD
ED
B=3T
B
E
ET
GEM フォイル
 ドリフト時間Z座標
 パッド面での位置rf座標
Dpt  x
 2
pt
BL
1
0.0141 X
pt 
N
BL
X0
B~3T, L=1.5m, N=200 でrf < 150mm必要
宮本彰也、 KEK
小型TPCにてガス、増幅特性研究中
rf < 150mmは達成
名古屋大学、ILCセミナー
23
LCTPC国際コラボレーション
 中型TPCでのTPC特性研究
 非一様な磁場、長距離電子ドリフトによる拡散、空間電荷効果、End Plate 境界
面での性能、などなど
 LCTPC:
 日本、中国、フィリピン、ドイツ、フランス、アメリカ、カナダなどの研究機関との
共同研究。
エンドプレート: 80cmf
~10k 読み出しチャネル
磁場測定中のPCMAG
試作パッドプレート
宮本彰也、 KEK
名古屋大学、ILCセミナー
24
ピクセルバーテックス測定器
b
c
uds
検出素子：日本では、Fine Pixel CCDを開発
中
 ピクセル：２０mm角  5mm角
全ヒットを記録、ビームパルス間に読み
出し
 全空乏型（拡散を抑える）
 薄型化：300mm厚50mm厚
 高速読み出し：複数ポート/素子
 高放射線耐性
宮本彰也、 KEK
名古屋大学、ILCセミナー
25
まとめ
 ILC加速器開発に並行して、測定器研究開発が国際協力のもと進行してい
る。
 今後のマイルストーン
 2008年10月
 2010年
LOI
EDR作成
 理論面でも活発な活動が続いている
 現在特に不足しているのはマンパワーである
宮本彰也、 KEK
名古屋大学、ILCセミナー
26
http://www.awa.tohoku.ac.jp/TILC08/
宮本彰也、 KEK
東北大学
3月3日-6日 TILC08
3月7日 ILD Meeting
名古屋大学、ILCセミナー
27
BACKUP SLIDES
ILCビームの特徴
 ビーム衝突の時間構造全衝突イベントをデータ収集
~0.001秒
~0.2秒
3６９n秒間隔
２６２５バンチ
平均電流：~9mA
5.7nmH
 扁平なビームバンチにより、ビームストラールング・バックグランドを抑制
2x10 e-
2x10 e+
639nmW
300mmL
ビームライン近傍の測定器をバックグランドシールドとして活用。
バックグランド電子・陽電子分布を測定し、ビーム診断に活用。
宮本彰也、 KEK
名古屋大学、ILCセミナー
29
学術創成研究
「国際リニアコライダーの
ための革新的測定器の
開発研究」（５年で４億円）
新しい物理原理の解明
＊真空の本質
＊ダークマター
＊超対称性原理
＊余剰時空の構造
国際リニアコライダー
＊日本のリーダーシップ
＊国際的な若手の養成
高分解能測定器
最適化
要素開発
反応点測定
FPCCD
飛跡測定
MPGD
シャワー測定
MPPC
最新鋭検出素子の開発・実用化
学術創成研究
「国際リニアコライダーの
ための革新的測定器の開発研究」
＊他分野への波及
医療、光通信、
X線結晶学、、、

Download Report