ATLAS 実験シリコン飛跡検出器の宇宙線を用いた性能評価

平成 26 年度修士論文
ATLAS 実験シリコン飛跡検出器の
宇宙線を用いた性能評価
九州大学大学院理学府物理学専攻
粒子物理学分野素粒子実験研究室
古浦新司
指導教員東城順治
2015 年 2 月 26 日
概要
ATLAS(A Toroidal LHC ApparatuS) 実験は、欧州合同原子核研究機構（CERN）にある大
型ハドロン衝突型加速器（LHC : Large Hadron Collider）を用いた新たな物理事象の探索を目
的とした実験である。汎用測定器である ATLAS 検出器を用いて陽子-陽子衝突から発生する
多数の粒子を検出し、新粒子や余剰次元の存在などの探索を行う。2012 年に ATLAS 実験グ
ループは、同様の目的を持つ CMS 実験グループとともに、素粒子標準模型で最後の未発見粒
子であったヒッグス粒子の発見を発表した。LHC 加速器は 2015 年 5 月に再開予定の RUN2
に向けて、アップグレードのために長期シャットダウン中である。一方、ATLAS 検出器も再
稼働を前に様々なアップグレード作業を完了した。
アップグレード作業を経た ATLAS 検出器をこれまで通り正しく動作させ、各部検出器の
性能を RUN2 の開始までに評価しておくことは非常に重要である。そのため、ATLAS 実験
グループでは 2014 年 2 月から約 1 年の間に複数回の動作試験期間 (MX : Milestone X) を設
けて、段階的に検出器の動作確認及び性能評価を行ってきた。2014 年 11 月末から 12 月頭に
かけて実施した M7 では、ATLAS 検出器全体をコミッショニングするために宇宙線データを
取得した。本研究の目的は、この M7 で収集した宇宙線データを使用して ATLAS 検出器内
にあるシリコン飛跡検出器（SCT : SemiConductor Tracker）の検出効率を測定し、その性能
を評価することである。SCT 検出器は、4 層のバレル部とビーム軸前方後方それぞれ 9 層の
エンドキャップ部から構成されるシリコンストリップ検出器であり、その読み出しチャンネ
ルの総数は約 628 万チャンネルである。80 µm ピッチのストリップを持つセンサー 2 枚を 40
mrad の角度をつけて組み合わせることにより、荷電粒子の飛跡を約 23 µm の位置分解能で
検出し、飛跡の運動量の測定に重要な役割を果たす。SCT 検出器はアップグレード作業にお
いてデータ収集系を大幅に変更したため、これまでと同等に動作が行えるか確認する必要が
あった。本研究により、SCT 検出器の検出効率は、バレル部とエンドキャップ部 A サイドで
要求値の 99% を越える結果を得た。衝突実験を行っていた 2012 年に取得した宇宙線データ
と比較しても良好な結果である。一方、エンドキャップ部 C サイドは 99% を下回る検出効率
であり、RUN2 の開始までにさらに調整することが課題である。
i
iii
目次
第1章
はじめに
1
第2章
LHC-ATLAS 実験
3
LHC 加速器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
LHC 加速器を用いた実験 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
ATLAS 実験 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
ATLAS 検出器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
2.1
2.1.1
2.2
2.2.1
2.3
第3章
LHC 加速器と ATLAS 検出器のアップグレード . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3.1
LHC 加速器のアップグレード . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3.2
ATLAS 検出器のアップグレード . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
シリコン飛跡検出器
15
3.1
内部飛跡検出器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.2
シリコン飛跡検出器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.3
3.4
第4章
3.2.1
検出原理
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.2.2
センサー
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.2.3
モジュール . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.2.4
SCT 検出器の各モジュールの配置 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.2.5
データ収集系 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
較正 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.3.1
キャリブレーションの流れ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.3.2
キャリブレーションデータベース . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
SCT 検出器におけるアップグレード . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
宇宙線データの収集
27
4.1
期間 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.2
データ収集条件 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.3
検出器モジュールの状態 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
目次
4.4
4.5
第5章
5.1
第6章
発生した問題 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.4.1
COOL データベース上のミス . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.4.2
TX ラインの配線ミス . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
統計 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
データ解析
39
各種の定義 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5.1.1
クラスターとスペースポイント . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5.1.2
トラックに付随したヒット . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
5.1.3
検出効率
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
結果と考察
45
6.1
マイルストーン 7 の結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
6.2
2012 年取得データとの比較 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
6.3
バッドストリップの数と検出効率との相関 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
6.4
未解決の問題 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
6.4.1
第7章
Run#248115 で生じたバレル部一部モジュールの急激な検出効率低下
まとめ
55
61
参考文献
65
iv
v
図目次
2.1
LHC 加速器の俯瞰イラスト . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
2.2
LHC 加速器の各衝突点に設置された検出器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
2.3
ATLAS 検出器の全景 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
2.4
各粒子と ATLAS 検出器各部との反応 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
2.5
ATLAS 検出器内のカロリメータ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
2.6
ATLAS 検出器内のミューオン検出器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.7
LS1 中の LHC 加速器のアップグレード作業 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.8
IBL 検出器のインストールの様子 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.1
内部飛跡検出器全体とその詳細
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.2
導体・半導体・絶縁体の模式図
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.3
pn 接合への逆バイアス印加 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.4
p-in-n 型センサーの模式図 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.5
SCT 検出器のモジュール . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.6
センサー上のストリップの模式図 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.7
SCT 検出器のバレル層・エンドキャップ部ディスクの配置 . . . . . . . . . . 21
3.8
組み付けられた SCT モジュール . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.9
SCT 検出器のデータ収集系 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.10
ASIC 内の構造 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.11
S カーブ測定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.12
ゲインの測定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.1
SCT 検出器バレル部各モジュールの温度 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.2
SCT 検出器エンドキャップ部各モジュールの温度 . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.3
SCT 検出器バレル部各モジュールの印加電圧値 . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.4
SCT 検出器エンドキャップ部各モジュールの印加電圧値 . . . . . . . . . . . . 30
4.5
SCT 検出器バレル部各モジュールのリーク電流値 . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.6
SCT 検出器エンドキャップ部各モジュールのリーク電流値 . . . . . . . . . . 32
図目次
4.7
SCT 検出器バレル部各モジュールのゲイン . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.8
SCT 検出器エンドキャップ部各モジュールのゲイン . . . . . . . . . . . . . . 33
4.9
SCT 検出器バレル部各モジュールのノイズ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.10
SCT 検出器エンドキャップ部各モジュールのノイズ . . . . . . . . . . . . . . 35
4.11
COOL データベースのミス . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.12
TX ラインの配線ミス . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
5.1
スペースポイントの定義 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5.2
クラスターサイズ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
5.3
トラックに付随したヒット . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
5.4
検出効率の定義の模式図 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
5.5
バレルレイヤー 2 でデータ取得から外したモジュール . . . . . . . . . . . . . 42
6.1
M7 データから求めた SCT 検出器各部の検出効率 . . . . . . . . . . . . . . . 46
6.2
M7 データから求めた SCT 検出器バレル部各レイヤーの検出効率 . . . . . . . 47
6.3
バレルレイヤー 3 サイド 0 の検出効率とヒット数の η − ϕ 分布 . . . . . . . . 47
6.4
M7 データから求めた SCT 検出器エンドキャップ A サイドの検出効率 . . . . 48
6.5
M7 データから求めた SCT 検出器エンドキャップ C サイドの検出効率 . . . . 49
6.6
M7 データと 2012 年取得データとの検出効率の比較 . . . . . . . . . . . . . . 50
6.7
バレル部各レイヤーの検出効率の M7 データと 2012 年取得データとの比較 . 51
6.8
エンドキャップ部 A サイドの検出効率の M7 データと 2012 年取得データと
の比較 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
6.9
エンドキャップ部 C サイドの検出効率の M7 データと 2012 年取得データと
の比較 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
6.10
検出効率とバッドストリップの割合との関係 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
6.11
検出効率とバッドストリップの割合との相関 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
6.12
Run#248115 のバレル部各レイヤーの検出効率 . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
6.13
Run#248115 の各バレルレイヤーの検出効率の η − ϕ 分布 . . . . . . . . . . . 57
6.14
Run#248115 でのバレルレイヤー 1 サイド 0 の検出効率・ヒット・トラック
に付随したヒットの η − ϕ 分布 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
6.15
Run#248115 での各バレルレイヤーの検出効率のルミノシティブロック依存性 59
vi
1
第1章
はじめに
素粒子の標準模型（SM : Standard Model）は、17 個の素粒子で全ての物質とそれら同士
の相互作用の記述を試みる理論である。素粒子は物質の最小構成要素で、よく知られている
電子も素粒子のひとつである。SM によると、物質粒子同士の相互作用はそれら物質粒子間
でのゲージボソンの交換によって説明できる。2012 年に大型ハドロン衝突型加速器（LHC :
Large Hadron Collider）を用いた ATLAS 実験と CMS 実験により新たなボソンが発見され、
2013 年にそれが SM 内最後の未発見粒子ヒッグス粒子であることが確かめられ [1] [2]、つい
に SM は実験的にも確かなものとなった。しかし、SM の枠組みの中には最もありふれた相互
作用である重力相互作用が含まれていない。さらには、ニュートリノ振動 [3] やミューオン異
常磁気モーメントの理論値からのズレ [4] など SM では説明できない多くの実験的事実が示
されている。そこで今日の素粒子物理学の研究者たちは SM を越えた新物理（BSM : Beyond
the Standard Model）があると考え、その発見に全力を注いでいる。ヒッグス粒子の発見後、
ATLAS 実験グループが目指しているのも BSM へと繋がる物理である。具体的には、超対称
性粒子の発見、余剰次元の存在などである。ATLAS 実験では 2009 年に物理データ収集を開
始して以来、それらの探索を精力的に行っているが未だ叶っていない。しかし、多くの人達
がこの ATLAS 実験を通してヒッグス粒子発見以上の驚きがもたらされるものと考えている。
2013 年には LHC 加速器のアップグレードのための長期シャットダウンに伴って ATLAS
実験はデータ収集を中断し、2015 年 5 月に再開予定の衝突エネルギー 13 TeV での運転に向
けて検出器のアップグレードを行った。本研究では、ATLAS 検出器内で荷電粒子の飛跡検出
及び運動量測定に重要な役割を果たすシリコン飛跡検出器がこのアップグレード作業を経て
正しく動作し、十分な性能を保持しているかをその検出効率を求めることで評価した。直接
物理につながる仕事ではないが、今後の ATLAS 実験ひいては素粒子物理学の発展に大きく
寄与するものである。本論文では、続く第 2 章でまず LHC 加速器及び ATLAS 実験の詳細と
そのアップグレードについて解説する。続いて本研究の主題であるシリコン飛跡検出器の検
出原理と各コンポーネントについて、また理想的な運転に欠かせないキャリブレーションの
作業について第 3 章で説明する。第 4 章では、今回検出器の試験動作期間として設けたマイ
第 1. はじめに
ルストーンランについてと解析に使用した宇宙線データの詳細を述べる。第 5 章において本
研究で検出性能の評価基準とした検出効率と解析に使用した種々の量の定義を解説する。第
6 章で本研究より得た結果を報告し、それに対する考察を述べる。第 7 章では、結果を受け
ての今後の展望を述べて、本論文のまとめとする。
2
3
第2章
LHC-ATLAS 実験
2.1 LHC 加速器
大型ハドロン衝突型加速器（LHC : Large Hadron Collider）[5] は、ジュネーブ郊外に位置
する欧州合同原子核研究機構（CERN）が有する世界最大の円形加速器である。その周長は約
27 km であり、地下約 100 m に掘られたトンネル内にスイスとフランスの国境を跨いで設置
されている。図 2.1 に概略図を示す。LHC 加速器はシンクロトロン加速器であり、ビーム偏
向用双極電磁石 1232 台とビーム収束用四極電磁石 392 台から構成されている。全ての電磁
石に超伝導電磁石を使用することにより高電流を流すことが可能になり、メインの双極電磁
石では 8.4 T の強磁場を発生させることができる。陽子の加速はまず Linac 線形加速器で 50
MeV、次に陽子シンクロトロンブースター（PSB）で 1.4 GeV、陽子シンクロトロン加速器
（PS）で 25 GeV、スーパー陽子シンクロトロン加速器（SPS）で 450 GeV までと LHC 加速
器入射前に段階的に行われ、最終的に LHC 加速器で 4 TeV*1 のエネルギーまで加速される。
また LHC 加速器は、陽子だけでなく重イオンを加速させることも可能である。加速された粒
子ビームはリング上の 4 箇所で収束され、衝突する。各衝突点で行われている実験について
は次節で紹介する。LHC 加速器は 2015 年 5 月に再開予定の衝突エネルギー 13 TeV、ピーク
ルミノシティ 1034 cm−2 s−1 での運転（RUN2）に向けて、2013 年 2 月よりアップグレードの
ために長期シャットダウン中である。シャットダウン中のアップグレード作業については 2.3
節で記述する。
*1
設計上、最大 7 TeV のエネルギーまで加速可能だが、2009 年から始まった RUN1 では最高 4 TeV で運転が行
われた。
第 2. LHC-ATLAS 実験
2.1. LHC 加速器
図 2.1: LHC 加速器の俯瞰イラスト。ビームラインは地下約 100 m に位置し、4 箇所の衝突点
で実験が行われる。CERN ウェブサイトより引用。
2.1.1 LHC 加速器を用いた実験
LHC 加速器のリング上には 4 箇所の衝突点があり、図 2.2 に示すように、それぞれに巨大
な検出器が設置され、以下の 4 つの実験が行われている。
ATLAS 実験
ATLAS（A Toroidal LHC ApparatuS）実験 [6] は、ATLAS 検出器を用いてヒッグス粒子・
超対称性粒子・余剰次元等の新物理を探索する実験であり、本論文ではこの実験を扱う。
ATLAS 実験の詳細については 2.2 節で記述する。
CMS 実験
CMS（Compact Muon Solenoid）実験 [7] は、ATLAS 実験と並ぶ規模の実験である。CMS
検出器を使用し、ATLAS 実験同様にヒッグス粒子・超対称性粒子・余剰次元等の新物理探索
を目的とする。2012 年には ATLAS 実験とともに素粒子標準模型で最後の未発見粒子であっ
たヒッグス粒子の発見を発表した。
実験目的は ATLAS 実験とほとんど同じだが、検出器の構造は ATLAS 検出器とはかなり異
なっている。異なる装置で同じ測定を行うことでクロスチェックを行えるという利点がある。
4
第 2. LHC-ATLAS 実験
2.1. LHC 加速器
ALICE 実験
ALICE（A Large Ion Collider Experiment）実験 [8] は、唯一高エネルギー重イオン衝突に
特化した実験である。LHC 加速器で加速された鉛イオンの衝突から宇宙初期に存在したとさ
れる物質相クォーク・グルーオンプラズマ状態を作り出し、クォークの閉じ込め機構やハド
ロン質量の発現機構等の解明を目指す。
LHCb 実験
LHCb（LHC beauty）実験 [9] の”beauty”は、”bottom”クォークのもう一つの呼称である。
ボトムクォーク及び反ボトムクォークを含む B 中間子の崩壊を測定し、粒子-反粒子の非対称
性の研究を行う。
図 2.2: LHC 加速器の各衝突点に設置された検出器。それぞれ、ATLAS 検出器（左上）, CMS
検出器（右上）, ALICE 検出器（左下）, LHCb 検出器（右下）である。CERN ウェブサイト
より引用。
5
第 2. LHC-ATLAS 実験
2.2. ATLAS 実験
2.2 ATLAS 実験
ATLAS 実験 [6] は、LHC 加速器で加速された陽子同士の衝突から生じる多数の粒子を汎
用検出装置である ATLAS 検出器を使って検出し、その解析から新たな物理事象の発見を目
指す実験である。全世界 38 カ国、177 の大学及び研究所から学生約 1000 名を含む 3000 人
の研究者が参加し、共同で実験を遂行している。具体的な目標としては、ヒッグス粒子の発
見、超対称性粒子・ブラックホール等の素粒子標準模型を越えた物理の発見が挙げられる。
このうちのヒッグス粒子については、2012 年に CMS 実験グループとともにその存在を発見
したことを発表し、2013 年のヒッグス、アングレール両氏のノーベル賞受賞に直接的に貢献
した。受賞理由に ATLAS 実験と CMS 実験の貢献が明記されたのは過去の例を見ても異例
のことである。ATLAS 実験でのデータ取得は、2013 年 2 月から始まった LHC 加速器の長期
シャットダウンに伴って一旦中断し、2015 年 5 月再開予定の RUN2 に向けた検出器のアッ
プグレードを終えたところである。
2.2.1 ATLAS 検出器
ATLAS 検出器 [10][11] は様々な種類の検出器によって構成された複合型の検出装置であ
る。図 2.3 に検出器の全体図を示す。高さ約 25 m、長さ約 44 m、重さ約 7000 トンの巨大な
装置で、衝突点を中心に層構造を取っている。最内層から内部飛跡検出器、超伝導ソレノイ
ド磁石、電磁カロリメータ、ハドロンカロリメータ、超伝導トロイド磁石、ミューオン検出
器を配置し、各粒子の運動量やエネルギーを測定し、粒子の種類の同定を行う。図 2.4 に各粒
子が検出される部分を示す。
ATLAS 検出器における座標は衝突点を原点とし、ビーム軸方向を z 軸、それに垂直な平面
を x − y 平面と定義する。衝突点から LHC 加速器リング中心点を向く方向が x 軸、鉛直上
向きが y 軸である。LHC 加速器リングの反時計回りの方向を z 軸正とし、ATLAS 検出器の
z 軸正側を A サイド、z 軸負側を C サイドと呼ぶ。ここで、z 軸からの天頂角を θ とすると、
擬ラピディティ η を、
[
θ ]
η = − ln tan
2
(2.1)
と定義する。ATLAS 実験では各検出器が覆う領域を示すとき、この擬ラピディティ η を使用
する。
6
第 2. LHC-ATLAS 実験
2.2. ATLAS 実験
図 2.3: ATLAS 検出器の全景。衝突点を中心に様々な種類の検出器が並んでいる。
図 2.4: 各粒子と ATLAS 検出器各部との反応。ミューオン・光子・陽子・中性子・電子・ニュー
トリノが検出器内で検出される部分を示している。
7
第 2. LHC-ATLAS 実験
2.2. ATLAS 実験
内部飛跡検出器
内部飛跡検出器は、陽子-陽子衝突から生じた荷電粒子の飛跡を検出し、粒子の運動量を測
定する。ATLAS 検出器の最内層に位置し、内側からピクセル検出器、シリコン飛跡検出器、
遷移放射検出器の 3 種の検出器で構成している。またシャットダウン中のアップグレードで
既存のピクセル検出器の内側にもう一層のピクセル検出器を追加した。内部飛跡検出器の詳
細については次章で記述する。
電磁カロリメータ
図 2.5 に ATLAS 検出器のカロリメータの全体図を示す。電磁カロリメータ [12] では、電
子及び光子のエネルギー測定を行う。カロリメータは吸収層と検出層で構成されており、入
射粒子が吸収層で生じる粒子シャワーのエネルギーを検出層で測定し、入射粒子の全エネル
ギーを測定する。ATLAS 検出器の電磁カロリメータは検出層に液体アルゴン、吸収層に鉛
を使用している。各層をアコーディオン型に重ねていくことによって、粒子の放出方向に
よる応答の偏りを減らすと同時に読み出しをしやすくしているのが特徴である。バレル部
（LAr EM barrel）とエンドキャップ部（EMEC : LAr EM end-cap）に分かれており、それぞ
れ |η| < 1.475 と 1.375 < |η| < 3.2 の領域をカバーしている。また、より強い放射線に曝され
る高 η 領域 3.1 < |η| < 4.9 には、放射線耐性を高めるため吸収層に銅を使用した前方液体ア
ルゴンカロリメータ（FCAL : LAr forward calorimeter）を用意している。
ハドロンカロリメータ
ハドロンカロリメータ [12] は、パイ中間子・陽子・中性子などのハドロンのエネルギー測
定を行う。ATLAS 検出器のハドロンカロリメータは、タイルハドロンカロリメータとハド
ロンエンドキャップカロリメータの 2 種から成る。タイルハドロンカロリメータは吸収層に
鉄、検出層にプラスチックシンチレータのタイルを使用している。バレル部と延長バレル部
に分けられており、それぞれ |η| < 1.0 と 0.8 < |η| < 1.7 の領域をカバーしている。ハドロン
エンドキャップカロリメータは、銅の吸収層と液体アルゴンの検出層を持ったカロリメータ
で 1.5 < |η| < 3.2 の領域をカバーしている。
8
第 2. LHC-ATLAS 実験
2.2. ATLAS 実験
図 2.5: ATLAS 検出器内のカロリメータ
ミューオンスペクトロメータ
ミューオンは電子に比べ約 200 倍も重く透過力が高いため、カロリメータの吸収層も透過
してしまう。そのため、ミューオン検出器は最外層に設置する。図 2.6 に ATLAS 検出器の
ミューオンスペクトロメータの全体図を示す。ATLAS 検出器のミューオン検出器 [13] は、
超伝導トロイド磁石による約 1 T の磁場と組み合わせてスペクトロメータとして機能する。
飛跡測定用の MDT（Monitored Drift Tube）・CSC（Cathode Strip Chamber）、トリガー用の
RPC（Resistive Plate Chamber）・TGC（Thin Gap Chamber）の 4 種類が存在し、ミューオン
の運動量測定及びミューオン信号によるトリガー発行を担う。
MDT はバレル部・エンドキャップ部両方に設置しており、0.0 < |η| < 2.7 の領域をカバー
している。MDT を構成する個々のチューブは、30 mm 径のアルミ製チューブ内にタングス
テン-レニウム製のワイヤーが張られ、中がアルゴン・窒素・メタンの混合ガスで満たされて
いる。ミューオンが通過することで内部のガスがイオン化され、それがワイヤーを通して信
号として読み出される。CSC は MDT と同様に飛跡測定を目的とした検出器だが、よりバッ
クグラウンドの多いエンドキャップ内層かつ高 η 領域 2.0 < |η| < 2.7 をカバーしている。セ
グメント分けされたカソードと複数の読み出しワイヤー及びアルゴンと二酸化炭素の混合ガ
スを含んだ比例係数チェンバーで高い計数率にも耐えられるようになっている。RPC は、高
抵抗のプレートを複数枚並べた構造をしたガス検出器で、バレル領域 0.0 < |η| < 1.0 での
ミューオントリガー生成を担っている。TGC は薄型の多線式比例係数チェンバーで、エンド
キャップ領域 1.0 < |η| < 2.4 でのミューオントリガー生成を行う。
9
第 2. LHC-ATLAS 実験
2.3. LHC 加速器と ATLAS 検出器のアップグレード
図 2.6: ATLAS 検出器内のミューオン検出器
2.3 LHC 加速器と ATLAS 検出器のアップグレード
LHC 加速器は 2009 年 11 月に最初の陽子-陽子衝突を重心系エネルギー 0.9 TeV で成功さ
せた後、2010 から 2012 年の間にその衝突エネルギーを 1.8 TeV、7 TeV、8 TeV と段階的に
上昇させてきた。しかし、LHC 加速器の衝突エネルギーの設計値は最大 14 TeV であり、い
まだ本来の性能を出すには至っていない。2015 年 5 月開始予定の RUN2 では 13 TeV で運転
を開始し、その状況次第で設計性能の 14 TeV までエネルギーを上げる計画である。その準備
として、2013 年 2 月から始まった長期シャットダウン（LS1 : Long Shutdown 1）で、LHC
加速器には多くの改修が施された。図 2.7 に LS1 で行われた作業をまとめる。また LHC 加
速器は更なる性能向上のためのアップグレード計画を将来的に予定している。LHC 加速器の
衝突エネルギー上昇に伴い、ATLAS 検出器においても様々なアップグレードを行う。今回の
LS1 でも、いくつかのアップグレード作業を実施した。以下にその概要を記述する。
2.3.1 LHC 加速器のアップグレード
LS1 中の作業
■超伝導磁石間の電気的接続の強化・補修
LHC 加速器内では、陽子ビームを周回軌道上に保持するため、また陽子ビーム自体を細く絞
り込むために 1600 台以上の超伝導磁石を使用している。磁石は液体ヘリウムによって 1.9 K
10
第 2. LHC-ATLAS 実験
2.3. LHC 加速器と ATLAS 検出器のアップグレード
に冷やされ超伝導状態を保つ。各超伝導磁石は超伝導線材で接続しており、この超伝導線の
回りは銅材で覆われている。超伝導線材を銅で覆うのは、超伝導状態が何らかの原因で壊れ
てしまった（クエンチという）ときに超伝導線を保護するためである。超伝導線単体でクエ
ンチが生じると、急激な抵抗値上昇により一気にジュール熱が発生し超伝導線に損傷を与え
てしまう。銅材で覆っておくことでクエンチが起きた際の電流の逃げ道ができ、この被害を
防止することができる。LS1 中の LHC 加速器の補修作業で最も重点的に行われたのが、この
超伝導線を覆う銅材の各超伝導磁石間での接続の補強である。銅材同士の接続はハンダ付け
によって行うが、接続部の発熱を 100 mW 以下に抑えるために接続部間の抵抗が 0.5 nΩ 以下
であることが要求されている。LS1 中の補修で 10,170 の接続箇所の抵抗測定及び強化・補修
作業を実施した。
■その他
その他には、3 つの四重極磁石の置き換え、15 の双極磁石の置き換え、圧力開放弁の追加、
ガスリーク検査等様々な強化・補修作業を行った。
図 2.7: LS1 中の LHC 加速器のアップグレード作業。13 TeV のエネルギーを実現するための
装置の強化・補修作業がメインとなった。CERN ウェブサイトより引用。
11
第 2. LHC-ATLAS 実験
2.3. LHC 加速器と ATLAS 検出器のアップグレード
将来計画
LHC 加速器は、今後 2018 年と 2022 年にも長期のシャットダウン期間（LS2、LS3）を取
りアップグレードを行う予定である。LS2 では、LHC 加速器入射前の陽子の加速を担う線形
加速器を新設のものに置き換え、衝突型加速器の衝突頻度の目安であるピークルミノシティ
を現在の約 5 倍に上げる予定である。さらに LS3 では、HL-LHC(High Luminosity-LHC) の
プログラムが計画されており [14]、ビーム入射の改善・より強い超伝導磁石の開発によって
ピークルミノシティを現在の約 10 倍にすることを目指している。
2.3.2 ATLAS 検出器のアップグレード
LS1 でのアップグレード
■新たなピクセル検出器の追加
将来的な LHC 加速器のルミノシティ向上による 1 イベント当たりの陽子衝突数の増加に伴
い、ATLAS 検出器の最内層にあるピクセル検出器はその検出効率を維持できなくなってしま
うことが懸案事項となっていた。そこで、LS1 中に既存のピクセル検出器のさらに内側に新
たにピクセル検出器をインストールした。図 2.8 にインストールの様子を示す。この新しい
最内層のピクセル検出器は、Insertable b-layer（IBL）検出器 [15] と呼ばれる。単純にパイル
アップの増加に対応するだけでなく、物理解析にも大きな効果をもたらすことが期待されて
いる。IBL 検出器の追加に当たっては、既存のピクセル検出器とビームパイプとの隙間がわ
ずか 8.5 mm と狭かったため、従来の 29 mm より細い 23.5 mm の新ビームパイプを準備し
た。それでもなお、ビームパイプと既存ピクセル検出器との隙間は 14 mm と限られたもので
あったので、IBL 検出器はビームパイプと一体型で組み上げ、その後ピクセル検出器内側に
挿入された。
図 2.8: ピクセル検出器内層への IBL のインストールの様子。CERN ウェブサイトより引用。
12
第 2. LHC-ATLAS 実験
2.3. LHC 加速器と ATLAS 検出器のアップグレード
■新たなミューオン検出器の追加
既存のミューオン検出器でカバーできていなかった領域を覆うために新たなミューオン検出
器を追加した。EE チェンバー (Extended-endcap chamber) と呼ばれ、既存のミューオン検出
器バレル部とエンドキャップ部がカバーできていなかった中間領域に設置されている。この
新たなミューオン検出器により、トリガー効率の向上が期待される。
■その他
以上に記述したアップグレードの他に、マグネット冷却系の強化、中性子シールドの強化、各
検出器のメンテナンス等の作業が行われた。本研究で扱うシリコン飛跡検出器に施した作業
に関しては、第 3 章で記述する。
将来計画
HL-LHC 加速器のプログラムの実現に向けて、LS2 及び LS3 において ATLAS 検出器は大
幅なアップグレードを予定している [16]。LS2 では新たなミューオン検出器の導入とより速
いトリガーシステムへの移行が行われる。LS3 では内部飛跡検出器の総入れ替え、液体アル
ゴン検出器及びタイルハドロンカロリメータの読み出し回路の入れ替え、トリガーシステム
のアップグレード、前方の検出器のアップグレード等、大規模なアップグレード作業を計画
している。
13
15
第3章
シリコン飛跡検出器
この章では、ATLAS 検出器の内部飛跡検出器について記述した後、本論文の研究対象であ
るシリコン飛跡検出器について、その検出原理とセンサー・モジュール・データ収集系につ
いて説明する。また、シリコン飛跡検出器の較正についても説明する。
3.1
内部飛跡検出器
図 3.1 に内部飛跡検出器の全体図を示す。2.2.1 節で記述したように、内部飛跡検出器は
ATLAS 検出器の最内層にあり、|η| < 2.5 の領域を覆う。4 つの異なる検出器と、超伝導ソレ
ノイド磁石で生成した 2 T の磁場を用い、衝突点から来る荷電粒子の飛跡を検出し、崩壊点
の検出や運動量の測定において重要な役割を果たす。4 つの検出器は、内側から IBL 検出器、
ピクセル検出器、シリコン飛跡検出器、遷移放射検出器である。この内、IBL 検出器につい
ては、2.3.2 節ですでに記述した。以下に IBL 検出器以外の各検出器について説明する。
ピクセル検出器
ピクセル検出器 [17] は、3 層のバレル部と片側 3 枚ずつのエンドキャップ部で構成され
たシリコンピクセル検出器である。1744 個のモジュールを持ち、モジュール毎の有感領域
は 16.4 mm × 60.8 mm、その中に 50 µm × 400 µm のピクセルを 47,232 個含んでいる。各ピ
クセルは、読み出しチップとバンプボンディングという方式で半田接続している。読み出し
チャンネルの総数は、8040 万チャンネルである。
シリコン飛跡検出器
シリコン飛跡検出器は、4 層のバレル部と片側 9 層のエンドキャップ部で構成されたシリ
コンストリップ検出器である。詳細は次節で記述する。
第 3. シリコン飛跡検出器
3.1. 内部飛跡検出器
遷移放射検出器
遷移放射検出器（TRT : Transition Radiation Tracker）[18] は、ガスと読み出しワイヤを封
入した 298,304 本のストロー型比例計数管で構成されている。ストローは 4 mm 径で、ガス
はキセノン 70 % と二酸化炭素 27 % と酸素 3 % を混合したガス、ワイヤは 30 µm 径のタン
グステン-レニウムを使用している。また、チューブの間にはポリプロピレンの層がある。異
なる物質の境界面に速度の速い荷電粒子が通過すると、遷移放射によってその粒子の進行方
向に X 線が発生することを利用し、飛跡を検出するだけでなく電子の識別も行う。
図 3.1: 内部飛跡検出器全体（上図）とエンドキャップ部（左下図）、バレル部（右下図）の断
面図。最内層から、IBL 検出器（この図では描かれていない）、ピクセル検出器、シリコン飛
跡検出器、遷移放射検出器で構成されている。CERN ウェブサイトより引用。
16
第 3. シリコン飛跡検出器
3.2
3.2. シリコン飛跡検出器
シリコン飛跡検出器
この節では、本研究において宇宙線を用いて性能評価を行ったシリコン飛跡検出器（SCT
: SemiConductor Tracker）[19] の検出原理、及びその各コンポーネントについて記述する。
SCT 検出器は、ATLAS 検出器内で粒子の運動量測定・衝突粒子同士の最接近距離であるイン
パクトパラメータ測定・衝突で生じた粒子の崩壊点検出で重要な役割を果たすシリコン半導
体検出器である。
3.2.1 検出原理
pn 接合
半導体は、導体と絶縁体の中間の性質を持つ物質である。図 3.2 に、導体・半導体・絶縁体
の模式図を示す。ある物質に電流が流れるとき、電子は価電子帯から伝導帯へと移動してい
る。この価電子帯と伝導帯の間に大きなエネルギーギャップ（バンドギャップという）があ
るものが絶縁体であり、バンドギャップのないものが導体である。つまり、半導体のバンド
ギャップは、ゼロではないが絶縁体ほどは大きくない状態である。
図 3.2: 導体・半導体・絶縁体の価電子帯・バンドギャップ・伝導帯の模式図
半導体中における電荷の移動の担い手は伝導電子と正孔であり、キャリアと呼ばれる。純
粋な半導体は電気伝導性が低いので微量の不純物を加えて不純物半導体とし伝導性を高める。
このとき支配的なキャリアが伝導電子か正孔かによって、半導体は n 型と p 型の 2 種類に分
けられる。n 型と p 型の半導体を接合することを pn 接合と言う。図 3.3 に示すように、pn 接
合の n 型側に正電圧（逆バイアス）を印加すると、互いの型の間にキャリアの全く存在しな
い空乏層ができる。
17
第 3. シリコン飛跡検出器
3.2. シリコン飛跡検出器
図 3.3: pn 接合に逆バイアス（n 型側に正電圧）を印加したときの模式図。接合面に空乏層が
生じる。
p-in-n 型センサー
SCT 検出器のセンサーの模式図を図 3.4 に示す。SCT 検出器のセンサーは、n-バルクと呼
ばれる n 型半導体の中に p インプラントと呼ばれる p 型半導体が埋め込まれる形になってお
り、p-in-n 型センサーと呼ぶ。センサーの n+ に電圧を印加（逆バイアス）すると、n バルク内
に空乏層が広がる。n バルク全体が空乏化するときの電圧を全空乏化電圧と呼び、SCT 検出
器動作時には全空乏化電圧以上の電圧を印加する。センサーに荷電粒子が通過しエネルギー
を落とすと、空乏層内で電離が起き電子-正孔対が生成される。電子-正孔対が電場により電極
にドリフトされ、p 型電極と AC 結合されたアルミ読み出しストリップから信号を読み出す。
その後、電荷は読み出しチップに入り、1 fC の閾値を越えた信号に対してデジタル信号を生
成する。
図 3.4: SCT 検出器センサー（p-in-n 型センサー）の模式図
18
第 3. シリコン飛跡検出器
3.2. シリコン飛跡検出器
3.2.2 センサー
SCT 検出器のセンサー [20] は、p-in-n 型のセンサーである。ストリップ状に読み出しチャ
ンネルを配置しているため荷電粒子の通過に対して一次元の位置情報を得ることができる。
バレル部とエンドキャップ部ではセンサーの形状が異なる。図 3.5 に示すように、エンド
キャップ部ではさらに 5 種類の異なる形状（図内 W12, W21, W22, W31, W32）のセンサー
を用いている。バレル部センサーは 63.6 mm × 63.6 mm の正方形で、80 µm ピッチの読み出
しストリップが 768 本ある。エンドキャップ部のセンサーは外形が台形型で、読み出しスト
リップは台形の上底と下底を結ぶように放射状に並んでいる。そのストリップの間隔は 56.9
µm から 90.4 µm と１枚のセンサーの中で一様ではないが、ストリップの本数はどれも 768
本である。
バレル部・エンドキャップ部でそれぞれ総計 8,448 枚と 8,140 枚のセンサーを使用してい
るが、全てを一社のメーカーが製造したのではなく、日本の Hamamatsu 社とドイツの CiS
社が分担して製造した。バレル部全センサー及びエンドキャップ部の 6,944 枚のセンサーが
Hamamatsu 製で、残りのエンドキャップ部センサー 1,196 枚が CiS 製である。両者が製造し
たセンサーにはいくつかの相違点があり、顕著なものとしてストリップを取り囲むガードリン
グの構造が Hamamatsu 社は 1 本である一方、CiS 社のものは 16 本ある。また、Hamamatsu
社のセンサーには、シリコン半導体の切断面がミラー指数で < 111 > のものと、< 100 > の
ものの 2 種類が存在する。< 100 > のものを用いたモジュールは約 90 個ほどしかないが、両
者の間ではたわみ方の違いなどがあり、わずかに性能の違いが出る。
3.2.3 モジュール
SCT 検出器の 1 つのモジュールは、センサー 4 枚とそれを組み付けるためのベースボー
ド、12 個の読み出し用チップと読み出し回路を載せたハイブリッドから成る。図 3.5 にモ
ジュールの写真を示す。バレル部のモジュール [21] は全て同じ形だが、エンドキャップ部の
モジュール [22] はアウターモジュール・ミドルモジュール・インナーモジュールとミドルモ
ジュールから W21 センサーを除いたミドルショートモジュールの 4 種類ある。それぞれセ
ンサーの項で記述した大きさの異なるエンドキャップ用センサーを使用している。
モジュール内でセンサーは、表面 2 枚、裏面 2 枚で重ねられている。表面と裏面のセン
サーは、40 mrad の角度を持たせて組み付けてある。これによって、図 3.6 に示すように、表
面と裏面のセンサーのストリップが交差する形になり、センサーに入射した荷電粒子に対し
て 2 次元の位置情報を測定することができる。ストリップ間隔 h のセンサーに対して一様な
√
確率で垂直に粒子が入射すると仮定した時、その分解能は h/ 12 で与えられる。このことか
ら、SCT 検出器に用いるシリコンストリップ検出器は、約 23 µm の位置分解能を持っている
ことが分かる。また、センサー 2 枚を 40 mrad で重ねることによって、r − ϕ 方向に対して 16
19
第 3. シリコン飛跡検出器
3.2. シリコン飛跡検出器
µm、z 方向に対して 66 µm の位置分解能が得られる。
図 3.5: SCT のバレルモジュール（左図）とエンドキャップモジュール（右図）
。エンドキャッ
プモジュールは 5 種類のセンサーから構成されている。[20] より引用。
図 3.6: センサー上のストリップの模式図。1 枚（左図）では粒子の入射位置に対して一次元
の情報を得られる。右図のように、角度を付けて 2 枚重ねることで二次元の位置情報を得る
ことができる。
3.2.4 SCT 検出器の各モジュールの配置
SCT 検出器は、4 層のバレル部と各々 9 層のエンドキャップ部 A サイド・C サイドからな
る。図 3.7 に示すように、バレル部各層は衝突点から r 方向に 299 mm、371 mm、443 mm、
514 mm の位置にあり、それぞれバレル部レイヤー 0、1、2、3 と呼ぶ。エンドキャップ部各
層は衝突点から z 方向に 853.8 mm、934 mm、1091.5 mm、1299.9 mm、1399.7 mm、1771.4
mm、2115.2 mm、2505 mm、2720.2 mm の位置にあり、それぞれエンドキャップ部ディスク
0 から 8 と呼ぶ。このように配置することによって、衝突点から |η| < 2.5 の方向に生じた荷
電粒子は必ず 4 層のレイヤー・ディスクを通過することになる。
20
第 3. シリコン飛跡検出器
3.2. シリコン飛跡検出器
実際にモジュールを組み付けた様子を図 3.8 に示す。バレル部各レイヤーでは、SCT モ
ジュールが η 方向に 12 個並び、その列が ϕ 方向にぐるりと一周続いてる。レイヤー 0 から
順に ϕ 方向の列数は、32、40、48、56 列である。エンドキャップ部の各レイヤーでは、アウ
ターモジュールなら ϕ 方向に 52 個、ミドル・インナーモジュールなら ϕ 方向に 40 個組み付
けている。また、各モジュールに対して、衝突点に向いている面をサイド 1、その反対の面を
サイド 0 と定義する。
図 3.7: SCT 検出器のバレル層・エンドキャップディスクの配置。バレル 4 層にはバレル部レ
イヤー 0 から 3、エンドキャップのディスク 9 枚にはエンドキャップ部ディスク 0 から 8 を
割り当てている。[19] より引用。
図 3.8: 実際に SCT モジュールを組み付けた様子。バレル部で 2,112 個のモジュール、エンド
キャップ部で 1,976 個のモジュールを使用している。CERN ウェブサイトより引用。
21
第 3. シリコン飛跡検出器
3.2. シリコン飛跡検出器
3.2.5 データ収集系
ここでは、SCT 検出器のデータ収集系（DAQ : Data Acquisition）[23] の流れを説明する。
センサーへの荷電粒子の入射により電荷が生じると、ハイブリッド上の読み出しチップへ
と送られる。この読み出しチップは、特定用途向け集積回路（ASIC : Application Specific
Integrated Circuit）で、SCT 検出器の読み出しに使用される ASIC は ABCD3TA チップ [24]
と呼ぶ。ABCD3TA チップは、吸収線量 < 10 Mrad、1 MeV 中性子相当量 < 2 × 1014 n/cm2
の放射線耐性をもったフロントエンドチップで、1 チップ辺りに 128 チャンネル分のプリア
ンプと波形整形回路とディスクリミネータを搭載している。ディスクリミネータは、設定し
たスレッショルドに対して、それを越える信号が来ると 1 を出力し、それ以外の時は 0 を出
力する回路である。ABCD3TA チップ内のディスクリミネータのスレッショルドは 128 チャ
ンネル一様に設定し、チャンネルごとの微調整は 4 bit の Trim DAC で行う。ストリップで
生じた電荷は、ABCD3TA チップを通してバイナリ信号として出力される。この信号はバッ
ファ内に一時蓄えられ、トリガーを受け取ると検出器外の読み出しシステムへと送られる。
図 3.9: SCT 検出器のデータ収集系の模式図。SCT 検出器の DAQ の中核を成すのは、ROD
と BOC である。[19] より引用。
図 3.9 に示すように、検出器外の読み出しシステムは、リードアウトドライバーボード
（ROD : Readout Driver）とバックオブクレートボード（BOC : Back Of Crate）で構成して
いる。個々の ROD は 48 モジュール分のデータ処理を担い、BOC はモジュールと ROD と
の間の光学接続のインターフェイスの役割を持つ。また、BOC は最終的に生成された出力
データを S-link と呼ばれる光ファイバーを通して ATLAS の中央 DAQ システムへ転送する
役目もある。各モジュールには、1 つのタイミング・トリガー・コントロール（TTC : Timing,
Trigger and Control）ストリームと 2 つのデータ転送用ストリームがあり、それぞれ放射線耐
22
第 3. シリコン飛跡検出器
3.3. 較正
性を持った光ファイバー [25] で BOC と接続している。BOC からモジュールへの TTC 信号
送信用光ファイバーのプラグインを TX（Transmitting）ライン、モジュールから BOC への
データ受信用光ファイバーのプラグインを RX（Receiving）ラインと呼ぶ。TTC 信号は、TX
を通ってモジュールへ送られ、モジュール上のシリコン p-i-n ダイオードで光信号から電気信
号に変換される。モジュールからのデータは、RX を通って BOC へと送られ、BOC 上で光
信号から電気信号に変換される。
3.3
較正
SCT 検出器で高品質なデータを取得するためには、モジュールを常に低ノイズかつ高検出
効率に保たなくてはならない。それぞれに対する要求値は、ノイズ占有率 < 5 × 10−4 と検出
効率 > 99 % である。ノイズ占有率は 1 ストリップ当たりの全検出イベント数に対するノイズ
によるヒット数の割合で、検出効率は荷電粒子がセンサーを通過したときに信号検出する効
率である。SCT 検出器の較正（キャリブレーション）はモジュールの設定を最適化し、全モ
ジュールがこれらの要求値を満たすように行う。また、収集したデータを再構成する際にモ
ジュール情報をフィードバックするためにも重要である。そこで、データ収集を行っている
期間では SCT 検出器のキャリブレーションは定期的に実施し、問題が発生した時や ATLAS
検出器全体でキャリブレーションを行える時間がある時はその都度行う。この節では、SCT
検出器のキャリブレーションの流れとその内容、キャリブレーションの結果得られたデータ
を保持するデータベースについて記述する。
3.3.1 キャリブレーションの流れ
SCT 検出器のモジュールのキャリブレーションは全て SCT GUI と呼ばれるインターフェ
イスを通して行う。SCT GUI は、SCT 全モジュールのステータスをモニターし、異常のあ
るモジュールに対してキャリブレーション操作をすぐに実行することができる。モジュール
のキャリブレーションでは主に、モジュールと BOC 間の光ファイバープラグインの調整、
ASIC の調整を行う。以下に続く小節でそれぞれの項目について詳細に説明する。
光ファイバープラグインの調整
3.2.5 節でも解説したように、SCT の各モジュールは光ファイバーで BOC に接続され、そ
れを通してデータ及びクロック信号・コントロール信号の送受信が行われる。BOC 上には、
モジュールへ送るクロック・コントロール信号を光信号に変換する TX プラグインとモジュー
ルから送られてきた光データを電気信号に変換する RX プラグインがある。これらの光ファ
イバーのプラグインに異常があると SCT から信号を受け取ることもモジュールに対し命令を
送ることもできない。そのため、TX・RX プラグインの調整をキャリブレーションにおいて
第一に行う。
23
第 3. シリコン飛跡検出器
3.3. 較正
ここで調整するのは、TX 電流, Mark Space Ratio（MSR）, RX スレッショルド, RX Delay
の 4 つの量である。TX 電流はファイバー中の光の強度を、MSR はクロックのデューティー
比を決定する量である。RX スレッショルドと RX Delay の調整は各々の量のスキャンを通し
て同時に行われ、最も安定的に動作できる値を決定する。
ゲイン・ノイズの測定
3.2.5 節でも説明したように、SCT 検出器の読み出しに使用する ABCD3TA チップは、図
3.10 に示すようにモジュールストリップから来た信号を増幅、整形した上でコンパレータに
入れ、デジタル信号に変換する。キャリブレーションでは、ABCD3TA チップにテスト電荷
を入力して各チャンネルのゲインとノイズを測定する。
図 3.10: ASIC 内の構造。モジュールストリップから来た信号を増幅整形し、コンパレータで
デジタル信号に変換する。
ゲインとノイズの測定は、図 3.10 のテスト入力電荷と書かれた部分からテスト電荷を入力
することで測定する。あるテスト入力電荷に対してコンパレータのスレッショルド電圧 Vth
を変化させていくと、図 3.11 の右図に示すような検出効率の変化が得られる。これを S カー
ブと呼ぶ。S カーブ上で、検出効率が 50 % になるときの電圧を vt50 とする。コンパレータ
への入力電圧にガウス分布に従うノイズが乗っていると仮定すると、コンパレータ出力は 1
か 0 のバイナリ読み出しなので、S カーブは以下に示す関数 fcurve (x) で表すことができる。
∫
fcurve (x) =
∞
Vth
−(x − x0 )2
1
exp √
dx
√
2πσ
( 2σ)2
(3.1)
x0 はコンパレータへの入力波高の平均値、σ は出力ノイズである。S カーブをこの関数で
フィットすることにより、出力ノイズと vt50 を得る。同様の操作を、0.5 から 8 fC のテスト
入力電荷で行う。その測定から、図 3.12 に示すように横軸を入力電荷、縦軸を vt50 とすれば
ゲインが得られる。先に得た出力ノイズ（単位 : [mV]）をこのゲイン（単位 : [mV/fC]）で割
れば、等価雑音電荷（ENC : Equivalent Noise Charge）に換算した入力ノイズを得ることがで
きる。等価雑音電荷は、ノイズを電荷量で表したものである。
24
第 3. シリコン飛跡検出器
3.3. 較正
図 3.11: S カーブ測定。あるテスト入力電荷に対してスレッショルド電圧を変化させていき、
S カーブを得る（左図）。S カーブのフィットから出力ノイズと vt50 を得る（右図）。
図 3.12: ゲインの測定。左図は、0.5 fC から 8 fC のテスト入力電荷に対するコンパレータ入
力前の波形。これらについて vt50 を求め、右図を得る。図では 4 点描いているが、通常は 3
もしくは 10 点の異なる入力電荷での vt50 を測定しゲインを得る。
3.3.2 キャリブレーションデータベース
キャリブレーションの結果得られたモジュールの状況や情報はデータベース上に保存され
る。保存される情報は、ノイズが大きく使用できないストリップのリスト・ノイズ情報・印
加電圧とリーク電流・温度などである。キャリブレーションの情報が保存されるデータベー
スは、自動更新の SCT キャリブレーションデータベースと手動更新のコンディションデータ
ベース（COOL）の 2 種類ある。COOL にアップロードされた情報は、データ収集時の SCT
検出器の設定の参照として、また取得データを再構成する際に検出器情報をフィードバック
するために使用される。
25
第 3. シリコン飛跡検出器
3.4. SCT 検出器におけるアップグレード
3.4 SCT 検出器におけるアップグレード
LS1 中のアップグレード作業で、SCT 検出器にもアップグレード作業を行った。最も大き
く変更したのはデータ収集系で、前節で説明した ROD をもともと 90 台だったものから 128
台に増大した。これは RUN2 からのイベントレートの上昇に対応するためである。ROD を
増強したことにより、配線も大幅に変更した。もう一点の変更は、TX ラインの一部取り替え
である。これまで使用していた TX ラインが仕様より高い光量の減少と故障率を持っていた
のを解決するためで、市販品のチップを使用可能な LightABLE TX と呼ばれる新しい TX ラ
インに交換した。その他にも、電源・ファンの交換、温度センサの修理等の補修作業も行っ
た。これらの変更を受けて、SCT 検出器をこれまで通り動作させ、データを取得できるかを
確かめるのが本研究のモチベーションである。
26
27
第4章
宇宙線データの収集
第 2 章、第 3 章で述べたように、LHC 加速器と ATLAS 検出器は LS1 中に多くのアップ
グレードを実施した。ATLAS 実験グループでは、これらのアップグレードを経て ATLAS 検
出器をこれまで通り正常に動作させ、各部検出器の性能を RUN2 の開始までに評価するため
に、2014 年から約 1 年間に複数回の動作試験期間（MX : Milestone X）を設けて段階的に検
出器の動作確認及び性能評価を行ってきた。中でも、2014 年 11 月から 12 月にかけて実施し
た M7 では、アップグレード後の ATLAS 検出器の一部を除くほぼすべての部分を動作させ
て宇宙線データを取得し、コミッショニングを実施した。本研究では、M7 で収集したデータ
を用いて SCT 検出器の性能評価を行った。この章では、M7 でのデータ収集条件、検出器モ
ジュールの状態、統計量、及び SCT 検出器に発生した問題を記述する。
4.1
期間
M7 では、ATLAS 検出器全体を動作させた状態で 2014 年 11 月 24 日から 12 月 8 日の 15
日間の宇宙線データ収集を実施した。11 月 25 日には超伝導ソレノイド電磁石、12 月 4 日に
は超伝導トロイド電磁石の電源を入れた。
4.2
データ収集条件
ATLAS 検出器での陽子-陽子衝突データの収集では、衝突点から生じる粒子のデータを取
得するのに最適化したトリガを使用する。しかし、宇宙線は上空から降り注いで来るため専
用のトリガーが必要になる。そこで、内部飛跡検出器における宇宙線データ取得のトリガー
には TRT 検出器を用いる。これを、TRT Fast-OR トリガーと呼び、TRT 検出器内の隣り合
う 1 つ以上のストローにヒットがあるとトリガーを生成する [26]。本研究において解析に用
いたのはこのトリガーを使って収集したデータである。
第 4. 宇宙線データの収集
4.3
4.3. 検出器モジュールの状態
検出器モジュールの状態
この節では、M7 期間中の SCT 検出器各モジュールの温度・印加電圧・リーク電流値・ゲ
イン・ノイズについて記述する。この節で示すデータは、12 月 1 日に行った較正用のランで
ある run#247482 を用いたものである。
温度設定
図 4.1、図 4.2 に SCT 検出器バレル部・エンドキャップ部それぞれの各モジュールの温度
を示す。バレル部においてはモジュール間の変動は小さく、各層で一定温度を保っている。
バレル部レイヤー 0 の各 η 内の同じ位置に温度が他よりも高い部分が現れているのは、この
部分に対応するクーリングパイプの設定が他と違い高くなってしまっているためである。エ
ンドキャップ部においてはバレル部に比べ温度の変動が大きいが、故障により他のモジュー
ルに比べ著しく値の外れたものを除いた最低値と最高値でその変動は 6 ℃程度に収まって
いる。
図 4.1: SCT 検出器バレル部各モジュールの温度。赤色で示された t0 はサイド 0、青色で示さ
れた t1 はサイド 1 のものである。
28
第 4. 宇宙線データの収集
4.3. 検出器モジュールの状態
図 4.2: SCT 検出器エンドキャップ部各モジュールの温度
印加電圧設定
SCT 検出器モジュールの動作電圧は 150 V である。図 4.3、図 4.4 に、SCT 検出器バレル
部・エンドキャップ部それぞれの各モジュールに対する印加電圧を示す。バレル部の図中の
< 111 >, < 100 > は、3.2.2 節にて記述したシリコン半導体の切断面のミラー指数を表して
いる。バレル部の印加電圧は 150V で安定している。一部で 0 V になっているのは、不具合
のためにマスクしたモジュールに対応している。バレルレイヤー 2 の各 η 内の同じ位置にマ
スクしたモジュールがあるのは、その位置に対応するクーリングパイプの故障により安定動
作が危惧されるので使用不可に設定したものである。エンドキャップ部の印加電圧値もほと
んどのモジュールが 150 V で安定しているが、CiS 製センサーを用いたモジュールの一部で
印加電圧値が 30 V から 50 V ほど下がっている。これは 2012 年の衝突データ取得時に突然
CiS 製センサーを用いたモジュールの 27 % に急激なリーク電流の上昇が生じたため、その影
響を少しでも抑えるように対応するモジュールの印加電圧を下げたものである [19]。印加電
圧を下げた状態でも完全空乏化電圧は上回っており、検出効率に大きな影響はない。リーク
電流については次に記述する。
29
第 4. 宇宙線データの収集
4.3. 検出器モジュールの状態
図 4.3: SCT 検出器バレル部各モジュールの印加電圧値
図 4.4: SCT 検出器エンドキャップ部各モジュールの印加電圧値
30
第 4. 宇宙線データの収集
4.3. 検出器モジュールの状態
リーク電流
シリコン半導体検出器に逆電圧を印加すると微小電流が流れる。これをリーク電流
または漏れ電流と呼び、ノイズの原因となる。リーク電流は温度に強く依存しており、
T 2 exp(−Eg /2kT ) に比例して増大する。T は動作温度、k はボルツマン定数、Eg はバンド
ギャップエネルギーである。また、リーク電流は、シリコン結晶が放射線損傷を受けること
によっても増大する。
図 4.5 及び、図 4.6 に、SCT 検出器バレル部・エンドキャップ部それぞれの各モジュー
ルのリーク電流値を示す。バレル部の図中の < 111 >, < 100 > は、3.2.2 節にて記述したシ
リコン半導体の切断面のミラー指数を表している。バレル部におけるリーク電流は各層のモ
ジュール間でほぼ同じ値を取っており安定していることが分かる。バレルレイヤー 0 におい
て周期的にピークが見えるのは、図 4.1 で示した温度が高い部分に対応している。リーク電
流の平均がレイヤー 2, 1, 0 の順で大きくなっているのは、衝突点に近いほど放射線に多く曝
されてシリコン結晶に損傷を受けるためである。レイヤー 3 でのリーク電流が他のレイヤー
より高くなっているのは、図 4.1 で確認できるように、レイヤー 3 の温度が他に比べ高いた
めである。エンドキャップ部のリーク電流も各ディスク毎にほぼ一定値を取って安定してい
る。ミドルレイヤーとインナーレイヤーの CiS 製センサーを用いたモジュールの一部で値が
大きく外れているものがあるが、この原因については分かっていない。ショートモジュール
のリーク電流が小さいのは、ショートモジュールに使用しているセンサーストリップの長さ
が 6 cm と他のセンサーよりも短いためである。
ゲイン
図 4.7、図 4.8 に、SCT 検出器バレル部・エンドキャップ部それぞれの各モジュールのゲ
インを示す。3.3 節で記述した較正により、バレル部・エンドキャップ部ともにゲインは約
55 mV/fC である。一部モジュールで値がグラフ外下に落ち込んでいるのは、マスクしたモ
ジュールに対応している。
31
第 4. 宇宙線データの収集
4.3. 検出器モジュールの状態
図 4.5: SCT 検出器バレル部各モジュールのリーク電流値
図 4.6: SCT 検出器エンドキャップ部各モジュールのリーク電流値
32
第 4. 宇宙線データの収集
4.3. 検出器モジュールの状態
図 4.7: SCT 検出器バレル部各モジュールのゲイン
図 4.8: SCT 検出器エンドキャップ部各モジュールのゲイン
33
第 4. 宇宙線データの収集
4.3. 検出器モジュールの状態
ノイズ
図 4.9、図 4.10 に、SCT 検出器バレル部・エンドキャップ部それぞれの各モジュールのノ
イズを示す。3.3.1 節で記述した較正により出した ENC によるノイズ値を示している。バレ
ル部の図中の < 111 >, < 100 > は、3.2.2 節にて記述したシリコン半導体の切断面のミラー指
数を表している。バレル部・エンドキャップ部ともに約 1500 e 付近で揃っている。また、ミ
ラー指数 < 100 > のものを使用したモジュールのノイズが < 111 > のものに比べて低い傾向
がある。エンドキャップ部のミドルレイヤーにおいて、CiS 製のセンサーを用いたモジュー
ルの方が Hamamatsu 製のセンサーを用いたモジュールに比べてわずかにノイズが大きい。
図 4.9: SCT 検出器バレル部各モジュールのノイズ
34
第 4. 宇宙線データの収集
4.4. 発生した問題
図 4.10: SCT 検出器エンドキャップ部各モジュールのノイズ
4.4
発生した問題
M7 での SCT 検出器のデータ収集は初めから順調なものではなく、期間の前半では 2 つ
の問題によって健全なデータ取得を行うことができなかった。以下にその問題について報告
する。
4.4.1 COOL データベース上のミス
ATLAS 実験では、検出器の位置情報や各検出器の設定値・状態等の情報を COOL と呼ば
れるデータベースに保存している [27]。取得したデータからイベントを再構成する際には、
この COOL データベースからの情報を反映させる。SCT 検出器では検出器の状況を COOL
データベースにアップロードする際の形式を長期シャットダウンの間に変更した。M7 が始
まった時点で、SCT 検出器の各レイヤーのモジュールの位置に関してデータベース上に誤っ
た情報を記録していたため、図 4.11 に示すように、対応するモジュールにイベント再構成
後のデータが詰まっていないという事態が生じた。幸いこの問題は早期に発見され、データ
ベースを修正することで解決した。
35
第 4. 宇宙線データの収集
4.4. 発生した問題
図 4.11: Run#247236(左図) と Run#247368(右図) の SCT 検出器バレル部レイヤー 1 サイド 0
上のトラックに付随したヒット（意味については次章で解説する）の 2 次元ヒストグラム。
縦軸は ϕ、横軸は η である。左図では、COOL 上のミスによりヒストグラム上にデータのな
い大きな領域がある。右図は修復後で、データが正しく詰まっていることが分かる。
4.4.2 TX ラインの配線ミス
SCT 検出器のバレル部レイヤー 3 に極端にデータ量の少ない領域を発見した。データ量の
少ない領域は 2 箇所あり、それぞれ 12 モジュールずつの全 24 モジュールからデータがうま
く読み出せていないことがわかった。図 4.12 にこの時のトラックに付随したヒットの二次元
ヒストグラムを示す。不具合の表れ方の特徴から、SCT の各モジュールと ROD を繋ぐ TX
ラインに異常があると推測し調査したところ、不具合領域に対応するモジュールの TX ライ
ンが互い違いに接続されていたことを発見した。早急に TX ラインの接続を修正し、無事解
決するに至った。
図 4.12: Run#247368(左図) と Run#247906(右図) の SCT 検出器バレル部レイヤー 3 サイド 0
上のトラックに付随したヒットの 2 次元ヒストグラム。左図では、TX の配線間違えにより
ϕ=42, 43, 46, 47 のマイナス η の領域（赤丸）で極端にデータ数が少ない。右図は修復後で、
データが正しく詰まっていることが分かる。
36
第 4. 宇宙線データの収集
4.5
4.5. 統計
統計
M7 期間中では SCT 検出器において総計で 177 万以上の宇宙線イベントを収集した。しか
し、4.4 で記述した問題のため全てが使えるわけではない。また、全てのランを同じ条件で
行ったわけではなく、超伝導ソレノイド磁石・超伝導トロイド磁石のオン/オフの違いがある。
表 4.1 に示すのは、1 つのランで SCT 検出器以外の検出器を含めた全体のイベント数が 50
万イベント以上の比較的長いランのリストである。それぞれのランにおいて磁石のオン/オフ
状況も含めた。4.4 節で記述した問題を含んだランは除いている。表中のイベント数は、SCT
検出器単体でのイベント数である。本研究では、表中左端の番号 1（ソレノイド-ON、トロイ
ド-OFF）
、2（ソレノイド-ON、トロイド-ON）
、3（ソレノイド-OFF、トロイド-OFF）の 3 カ
テゴリーに分けて、それぞれのカテゴリーのデータを統合して解析を行った。
表 4.1: M7 で取得した 50 万イベント以上を含むランのリスト
カテゴリー
1
2
3
ラン番号
ソレノイド
トロイド
備考
イベント数
247688
ON
OFF
-
150,006
247894
ON
OFF
-
10,900
247906
ON
OFF
-
169,388
248273
ON
ON
IBL 無し
47,187
248276
ON
ON
IBL 無し
117,081
248282
ON
ON
IBL 無し
9,403
248291
ON
ON
IBL 無し
3,313
248296
ON
ON
IBL 無し
38,115
248324
ON
ON
IBL 無し
86,707
248326
ON
ON
IBL 無し
112,302
248368
OFF
OFF
-
10,235
248370
OFF
OFF
-
38,433
248371
OFF
OFF
-
91,379
248373
OFF
OFF
-
15,131
37
総計
330,294
414,108
155,178
39
第5章
データ解析
この章では、SCT 検出器の検出効率及び検出効率を出す際に必要な量の定義と解析につい
て記述する。
5.1
各種の定義
5.1.1 クラスターとスペースポイント
3.2.3 節で記述したように、SCT 検出器のモジュールはセンサーに 40 mrad の傾きを付けて
2 枚重ね合わせることで入射荷電粒子の二次元の位置情報を測定する。
図 5.1 に SCT 検出器のセンサー上での位置決定法を示した。モジュールの片面センサーで
シグナルを発した 1 つまたは複数の隣接するストリップのことをクラスターと定義する。ク
ラスターの大きさはクラスターサイズと呼び、図 5.2 のように荷電粒子がモジュール面の法
線に対してより大きい角度で入射するほどクラスターサイズは大きくなる。もう片面のセン
サー上のクラスターとオーバーラップがあれば、スペースポイントを定義することができる。
もし、クラスターが複数のストリップに跨っていれば、その中心とのオーバーラップをスペー
スポイントとする。最小で 3 点のスペースポイントがあると、荷電粒子の飛跡（トラック）を
再構成する。
図 5.1: スペースポイントの定義。クラスターの重なりあう点がスペースポイントとなる。
第 5. データ解析
5.1. 各種の定義
図 5.2: クラスターサイズの概略図
5.1.2 トラックに付随したヒット
あるヒットが再構成したトラック上にあるとき、それをトラックに付随したヒット（Hits
on track）と呼ぶ。
宇宙線は空から降り注いで来るため、バレル部の上下にトラックに付随したヒットが集中
するはずである。図 5.3 は、実際に M7 で取得したデータから得たトラックに付随したヒッ
トの 2 次元ヒストグラムである。図の右にヒストグラムを見やすくするための図を付け加え
た。横軸の η はビーム軸に平行な位置、縦軸の ϕ はビーム軸を回る円の角度である（この
η − ϕ 分布の 2 次元ヒストグラムは今後の議論でも度々使用する）。確かに大きく 2 つの領域
でトラックに付随したヒットが多いことが分かる。これがバレルの上下部に対応している。
図 5.3: トラックに付随したヒットの 2 次元ヒストグラム。右は η と ϕ の定義。宇宙線は空か
ら降り注いでくるので、トラックに付随したヒットはバレルの上下に集中する。
40
第 5. データ解析
5.1. 各種の定義
5.1.3 検出効率
定義
本研究では、検出器性能の指標として検出効率を用いた。一般的に検出効率は、ある検出
器に検出対象が入ったときにそれを検出できる確率のことである。SCT 検出器における検出
効率は、荷電粒子がセンサーを通過したとき信号が検出される確率である。SCT 検出器のセ
ンサーに対しては、99 % 以上の検出効率が要求される。つまり、センサーを荷電粒子が通過
したとき 99 % 以上の確率で信号が生成され、検出されなくてはならない。
SCT 検出器の検出効率を出すに当たって、まず再構成したトラックに対して以下の条件を
かけてトラックの選別を行う。
• 横運動量 pT > 1 GeV/c
• トラック上の TRT 検出器のヒット数 hitTRT ≥ 45
• トラック上の SCT 検出器のヒット数 hitSCT ≥ 7
• 5 つ以上の異なる SCT モジュール上にヒットを持つ
• トラックのフィットに対して χ2 /d.o. f < 3（d.o.f は自由度）
• ヒットがセンサーの有感領域内にあること
この選別をクリアしたトラックを検出効率の計算に使用する。トラックが決定できれば、
そのトラックがどのモジュールを貫くかが分かる。そして、そのモジュール上に確かにクラ
スターがあるかを確かめることで検出効率が計算できる。ヒットとして認めるのは、再構成
したトラックとセンサー上の交点から半径 2 mm 以内のクラスターのみである。この交点と
クラスターとの距離を残差（resudial）と呼ぶ。あるモジュールに対する検出効率の定義は、
以下の式のようになる。
Ef f =
NHit
NT rack
(5.1)
NHit は、残差が 2 mm 以下のヒットの数。NT rack はそのモジュールを横切るトラックの数
である。図 5.4 を例に考えてみると、赤丸のヒットは再構成したトラック上にあるためヒッ
トとして数えられる。黄色のヒットは残差が 2 mm 以上の位置にありヒットとはならない。
また、上から 4 番目のモジュールは信号を生成していない。この場合、赤丸ヒットを持つモ
ジュールは、横切るトラック数 1 でヒット数 1 となり検出効率 100 % となる。黄色丸ヒット
と信号のないモジュールは、横切るトラック数 1 に対してヒット数 0 のため、検出効率は 0
% となる。
41
第 5. データ解析
5.1. 各種の定義
図 5.4: 検出効率の定義の模式図。黄色のヒットは resudial が 2 mm 以上のため、検出効率の
計算ではヒットとして扱わない。
検出効率の計算から除外されるもの
検出効率の計算においては、使用不能と判断されデータ収集から外したモジュール、読み
出しチップの問題で使用できないストリップはマスクし、計算から除外する。今回の M7 の
宇宙線取得においても、全 78 のモジュールをマスクした。図 5.5 に示すようにバレル部レ
イヤー 2 においては、モジュールを冷やすためのクーリングパイプの不調により 48 個のモ
ジュールをマスクした。表 5.1 にマスクした全 78 モジュールをまとめた。
図 5.5: バレル部レイヤー 2 サイド 0 の検出効率の η − ϕ 分布。ϕ = 5, 6, 7, 8 に対応する大き
な領域をクーリングパイプの問題のためにマスクした。
42
第 5. データ解析
5.1. 各種の定義
表 5.1: M7 でデータ取得から外したモジュール
レイヤー・ディスク
データ取得から外したモジュール (η, ϕ)
バレルレイヤー 0
(-4, 22) (-2, 3) (5, 13) (6, 13)
バレルレイヤー 1
(-3, 26) (-2, 39)
バレルレイヤー 2
(-6 to 6, 5 to 8) (-1, 15)
バレルレイヤー 3
(1, 13) (1, 38)
A サイドディスク 0
-
A サイドディスク 1
(0, 4)
A サイドディスク 2
-
A サイドディスク 3
-
A サイドディスク 4
-
A サイドディスク 5
(2, 25)
A サイドディスク 6
(0, 3) (0, 33)
A サイドディスク 7
-
A サイドディスク 8
(0, 7)
C サイドディスク 0
-
C サイドディスク 1
-
C サイドディスク 2
(1, 38)
C サイドディスク 3
(0, 28)
C サイドディスク 4
(1, 22)
C サイドディスク 5
-
C サイドディスク 6
-
C サイドディスク 7
-
C サイドディスク 8
(0, 14 to 26)
43
45
第6章
結果と考察
この章では、M7 で取得した宇宙線データを用いて評価した SCT 検出器の検出効率の結果
とそれに対する考察を述べる。また、原因が特定できていない M7 のデータ取得中に生じた
問題についてもここで記述する。
6.1
マイルストーン 7 の結果
各部の全モジュールの平均検出効率
SCT 検出器のバレル部及びエンドキャップ部 A, C サイド各部の全モジュールでの検出効
率を図 6.1 に示す。エンドキャップ C サイドの検出効率が要求値の 99 % 以上を下回ってお
り、その原因については後の節で考察する。また、バレル部とエンドキャップ部 A サイド
に注目するとソレノイド磁石のオン・オフの違いによる検出効率の変化がある。ソレノイド
磁石がオンになっている時のほうが、オフのときに比べ検出効率が約 0.3 % から 0.5 % ほど
高い。これはソレノイド磁石の磁場によって宇宙線の飛跡が曲がることにより運動量の測定
ができ、検出効率の算出に使用するトラック選別の質が上がるためである。同様の傾向は、
2008 年に取得した宇宙線データでも報告されている [28]。トロイド磁石のオン・オフでの違
いはほとんどない。表 6.1 に各部の検出効率の数値をまとめた。
第 6. 結果と考察
6.1. マイルストーン 7 の結果
図 6.1: M7 データから求めた SCT 検出器各部の検出効率
表 6.1: M7 で取得した宇宙線データから導出した SCT 検出器各部の検出効率
エンドキャップ部
バレル部
C サイド
ソレノイド OFF
エンドキャップ部
A サイド
98.99 ± 0.11 %
99.31 ± 0.02 %
99.11 ± 0.09 %
98.94 ± 0.08 %
99.63 ± 0.01 %
99.73 ± 0.04 %
98.81 ± 0.07 %
99.70 ± 0.01 %
99.66 ± 0.03 %
トロイド OFF
ソレノイド ON
トロイド OFF
ソレノイド ON
トロイド ON
バレル部 - 各バレルレイヤーごとの検出効率
図 6.2 は、バレル部の各レイヤーごとの検出効率である。概ね全てのレイヤー及びソレノ
イド磁石オン・オフの状況で要求値が満たされていることが分かる。しかし、レイヤー 3 の
検出効率の低さが目立ち、ソレノイド磁石オフの状況では要求値を下回っている。図 6.3 は、
レイヤー 3 サイド 0 の検出効率とヒット数の η − ϕ 分布であるが、検出効率が低いモジュー
ルのヒット数が極端に多いことが分かる。この領域は、第 4 章 4.4.2 節で報告した TX ライン
46
第 6. 結果と考察
6.1. マイルストーン 7 の結果
の配線ミスが生じた領域と一致しており、配線修正後に十分にキャリブレーションを行う時
間がなかったために調整が不十分だったことが原因だと考えられる。しかし、他にも調整が
不十分なモジュールがあるにも関わらず、それらの検出効率は 99 % 以上に保たれているた
め、これだけが原因とは言い切れない。
図 6.2: M7 データから求めた SCT 検出器バレル部各レイヤーの検出効率
図 6.3: バレルレイヤー 3 サイド 0 の検出効率とヒット数の η − ϕ 分布
47
第 6. 結果と考察
6.1. マイルストーン 7 の結果
エンドキャップ部 - 各ディスクごとの検出効率
エンドキャップ A サイド
図 6.4 は、SCT 検出器エンドキャップ部 A サイドの各ディスクごとの検出効率である。バ
レル部で確認できたほど大きな差はないが、ここでもソレノイド磁石のオン・オフでの検出
効率の違いがある。ディスク 7, 8 に関しては、一部検出効率が 100 % になっているが、これ
はエンドキャップ部のディスクが地面に対して垂直なこと、また有感領域自体の狭さにより
宇宙線の統計をほとんど得られていないことによる。
エンドキャップ C サイド
図 6.5 は、SCT 検出器エンドキャップ部 C サイドの各ディスクごとの検出効率である。ソ
レノイド磁石のオン・オフによる変化はほとんどない。ディスク 4, 5, 6 が他に比べて低く、
これがエンドキャップ部 C サイド全体の検出効率を下げていた原因である。バレル部同様
にこれらのディスク内を各モジュール単位でチェックしたが、ラン毎に検出効率の低いモ
ジュールが変わる上に統計が極めて少なく、具体的にどのモジュールが問題なのかは特定で
きなかった。考えられる要因としては、今回エンドキャップ部の位置のアライメントを行っ
ていなかったことが挙げられる。これによりトラックの再構成に影響を与え、その結果低い
検出効率につながった可能性がある。ディスク 7, 8 に関しては、A サイド同様に統計が少な
く、検出効率が一部 100 % になっている。
図 6.4: M7 データから求めた SCT 検出器エンドキャップ A サイドの検出効率
48
第 6. 結果と考察
6.1. マイルストーン 7 の結果
図 6.5: M7 データから求めた SCT 検出器エンドキャップ C サイドの検出効率
49
第 6. 結果と考察
6.2. 2012 年取得データとの比較
6.2 2012 年取得データとの比較
今回収集した M7 データからの検出効率をアップグレード前のものと比べるため、衝突実
験を行っていた 2012 年時に取得した宇宙線データからの検出効率を参照して比較を行った。
比較に使用したのは、2012 年の 11 月 9 日から 10 日にかけて取得した Run#214303 のデータ
である。統計量は、200,025 イベント。M7 データについては、ソレノイド磁石オン時のデー
タをまとめて比較用のデータとした。
図 6.6 は、SCT 検出器各部の検出効率の M7 データと 2012 年取得データとの比較である。
バレル部においては M7 データの検出効率の方が、2012 年取得データのものより良好であ
ることが分かる。エンドキャップ部 A サイドでは両者ともほぼ同等である。しかし、エンド
キャップ部 C サイドに関しては M7 での検出効率が 2012 年取得データのものに比べて約 0.8
% ほど低いことが分かる。
図 6.6: M7 データと 2012 年取得データとの検出効率の比較
50
第 6. 結果と考察
6.2. 2012 年取得データとの比較
バレル部
図 6.7 は、バレル部の各レイヤーでの検出効率の比較である。レイヤー 0, 1, 2 に関しては
M7 データの検出効率は、2012 年取得データの結果を最大約 0.5 % 上回る良好な結果が出て
いる。レイヤー 3 では、M7 データの検出効率が 2012 年取得データのものを下回っている。
M7 データでのレイヤー 3 の検出効率の落ち込みは決して無視できるものではなく、前節で
指摘したモジュールのキャリブレーションを行い、調整する必要がある。
図 6.7: バレル部各レイヤーの検出効率の M7 データと 2012 年取得データとの比較
エンドキャップ部
図 6.8 は、エンドキャップ部 A サイドの各ディスクでの検出効率の比較である。どのディ
スクにおいても M7 データと 2012 年取得データとの間であまり大きな違いは見られず、エン
ドキャップ部 A サイドについては 2012 年の衝突実験時と同等の検出効率が出ている。
図 6.9 は、エンドキャップ部 C サイドの各ディスクでの検出効率の比較である。全体を通
して M7 データの検出効率が 2012 年取得データに比べ低い傾向にあるが、やはりディスク
4, 5, 6 の低さが目立つ。前節で述べたようにエンドキャップ部 C サイド、とりわけディスク
4, 5, 6 の位置のアライメントを調整する必要があることが示された。
51
第 6. 結果と考察
6.2. 2012 年取得データとの比較
図 6.8: エンドキャップ部 A サイドの検出効率の M7 データと 2012 年取得データとの比較
図 6.9: エンドキャップ部 C サイドの検出効率の M7 データと 2012 年取得データとの比較
52
第 6. 結果と考察
6.3
6.3. バッドストリップの数と検出効率との相関
バッドストリップの数と検出効率との相関
ノイズが多い、または全く反応のないストリップをバッドストリップと呼ぶ。2012 年の
衝突データを用いた検出効率の研究で、全ストリップ数に対するバッドストリップの割合が
高いほど検出効率が低くなるという相関があることが報告されている [19]。そこで、今回の
M7 のデータにおいても同様の相関が見られるか確認した。第 5 章 5.1.3 節で記述したよう
に、問題のあるモジュールや問題のあるチップに対応するストリップはバッドストリップと
して、事前にマスクされ検出効率の計算から除かれている。ここで割合を考えるバッドスト
リップはこれら以外の、検出効率の計算に含まれたバッドストリップである。定義を (6.1) 式
に与える。
バッドストリップの割合 =
NT otal Badstrip − (N Modout strip + NBadchip strip )
NT otal strip − (N Modout strip + NBadchip strip )
(6.1)
NT otal strip は全ストリップ数、N Modout strip はマスクされたモジュールに対応するストリッ
プ数、NBadchip
strip
はマスクされたチップに対応するストリップ数、NT otal
Badstrip
は全バッド
ストリップ数である。図 6.10 に、検出効率とバッドストリップの割合を示す。検出効率は
M7 でのソレノイド磁石オン時のものを使用した。この図からは 2012 年時のデータで報告さ
れた明らかな相関は見て取れない。バレル部・エンドキャップ部 A, C サイドそれぞれについ
て、横軸にバッドストリップの割合、縦軸に検出効率を取ったグラフを図 6.11 左図に示す。
相関を確認するため各々に線形フィットをかけたものが図 6.11 右図である。これを見るとバ
レル部とエンドキャップ部 C サイドに関しては、バッドストリップの割合が増えると検出効
率が下がるという相関が少し見えるが、エンドキャップ部 A サイドにおいてはそのような相
関は見れない。過去に報告された明確な相関が得られなかったのは、今回のデータが宇宙線
のものであり、バレル部においてはトラックに付随したヒットの分布に偏りがあり、エンド
キャップ部においては統計が少なすぎたためであると考えられる。以上のことから、M7 デー
タにおける検出効率の低いレイヤー・ディスクはバッドストリップの割合が高いため生じた
と断定することはできなかった。
53
第 6. 結果と考察
6.3. バッドストリップの数と検出効率との相関
図 6.10: 検出効率とバッドストリップの割合との関係
図 6.11: 縦軸検出効率と横軸バッドストリップの割合（左図）と線形フィットをかけたもの
（右図）
54
第 6. 結果と考察
6.4
6.4. 未解決の問題
未解決の問題
M7 のデータ取得期間中において原因の特定できなかった未解決の問題が生じた。ここで
は、その詳細と問題に対して行った調査について述べる。
6.4.1 Run#248115 で生じたバレル部一部モジュールの急激な検出効率低下
問題の概要
2014 年 11 月 27 日の夜から翌朝まで行われた run#248115 の途中、突然バレル部レイヤー
0 と 3 の検出効率が低下し始めるのをオンラインモニター上で確認した。その時点でデータ
収集上のエラーは出ておらず、ランを続行した。図 6.12 は、最終的に得た run#248115 のバ
レル部各レイヤーの検出効率である。レイヤー 0, 3 において、要求値の 99 % を下回る検出
効率の極端な低下があった。この事態を受け、具体的に検出効率の下がったモジュールを調
査し、結果としてバレル部全レイヤーの一部モジュールで極端な検出効率の低下が生じてい
たことを確認した。そのデータをもとに、キャリブレーションに使用するソフトウェア SCT
GUI を用いて該当するモジュールの状態を詳しく調べた。しかし、目立った異常は発見でき
ず、具体的な対処を施すこともできなかった。そして、次のオーバーナイトランにおいては
この問題は見られなかった。その後も再発が心配されたが、結局期間中にこの問題が生じた
のは run#248115 のみであった。
図 6.12: Run#248115 のバレル部各レイヤーの検出効率
55
第 6. 結果と考察
6.4. 未解決の問題
問題の具体的な状況
図 6.13 は、run#248115 の各バレルレイヤーのサイド毎での検出効率の η − ϕ 分布である。
青色になるにつれて検出効率が低い。レイヤー 0, 1, 2 ではサイド 0 とサイド 1 との間で検出
効率の低いモジュールの分布が同じであるが、レイヤー 3 ではサイド 1 においてより広い分
布で検出効率の低いモジュールが広がっている。より詳細に状況を確認するため、モジュー
ルに対するヒット及びトラックに付随したヒットの η − ϕ 分布を見てみたものが、図 6.14 で
ある。この図より、検出効率が低いモジュールに対してヒット数はあまり変化が見られない
が、トラックに付随したヒットが減っていることが分かった。図はレイヤー 1 のサイド 0 の
ものであるが、全てのレイヤーサイドで同様の傾向が見られた。全てのレイヤーに対して検
出効率の低いモジュールが現れていたにも関わらず、図 6.12 においてレイヤー 1, 2 の検出効
率に大きく変化がなかったのは、それらのレイヤーにおいて検出効率の低いモジュールがト
ラックに付随したヒットの少ない領域、つまり宇宙線の入射が少ない領域にたまたま集中し
ていたためである。したがって、同様の問題が衝突実験中に生じた場合はレイヤー 1, 2 にお
いても検出効率の低下が生じることが予想できる。
またこれらの η − ϕ 分布を見ると、異常のあるモジュールが ϕ に対して 2 列分, η に対して
6 列分の 12 モジュールの単位で広がっていることも分かる。この単位は、1 つの TX ライン
がカバーするモジュールの単位と一致しており、TX ラインに何らかの問題が生じたことを示
唆している。しかし、run#248115 中に TX ラインに関連するエラーは報告されていない。
急激な検出効率の低下を起こしたモジュールを表 6.2 にまとめておく。
表 6.2: Run#248115 で急激な検出効率の低下を起こしたモジュール
レイヤーサイド
モジュール ( η, ϕ )
レイヤー 0 サイド 0
( 0 to 6, 8 ) ( 0 to 6, 9 )
レイヤー 0 サイド 1
( 0 to 6, 8 ) ( 0 to 6, 9 )
レイヤー 1 サイド 0
( 0 to 6, 20 ) ( 0 to 6, 21 )
レイヤー 1 サイド 1
( 0 to 6, 20 ) ( 0 to 6, 21 )
レイヤー 2 サイド 0
( 0 to 6, 20 ) ( 0 to 6, 21 ) ( 0 to 6, 22 ) ( 0 to 6, 23 )
レイヤー 2 サイド 1
( 0 to 6, 20 ) ( 0 to 6, 21 ) ( 0 to 6, 22 ) ( 0 to 6, 23 )
レイヤー 3 サイド 0
( 0 to 6, 14 ) ( 0 to 6, 15 ) ( 0 to 6, 16 ) ( 0 to 6, 17 ) ( 0 to 6, 24 ) (
0 to 6, 25 )
レイヤー 3 サイド 1
( -6 to 0, 18) ( -6 to 0, 19) ( -6 to 0, 20) ( -6 to 6, 14 ) ( -6 to 6, 15
) ( -6 to 6, 16 ) ( -6 to 6, 17 ) ( 0 to 6, 24 ) ( 0 to 6, 25 )
56
第 6. 結果と考察
6.4. 未解決の問題
図 6.13: Run#248115 の各バレルレイヤーの検出効率の η − ϕ 分布
57
第 6. 結果と考察
6.4. 未解決の問題
図 6.14: Run#248115 でのバレルレイヤー 1 サイド 0 の検出効率・ヒット・トラックに付随し
たヒットの η − ϕ 分布
ルミノシティブロック毎のイベント再構成による時間的変化の調査
検出効率の低いモジュールがどのタイミングで発生し始めたかを確認するため、20 個の
ルミノシティブロック毎にイベントを再構成し、その変化を確認した。ルミノシティブロッ
ク（LB : Luminosity Block）とは 1 つのランをある時間で区切ったものであり、宇宙線デー
タ収集において 1 LB は約 1 分に対応する。つまり今回は約 20 分毎の変化を確認したことに
なる。この調査によって得た各バレルレイヤーの検出効率の変化をまとめたものを図 6.15 に
示す。
この図から検出効率の大きな降下が LB 80 周辺でレイヤー 3 サイド 1 に、LB 400 周辺でレ
イヤー 0, 3 の両サイドに生じていることが分かる。またこの図では顕著には表れていないが、
LB 270 周辺でレイヤー 1 に、また LB 400 周辺でレイヤー 2 に検出効率の低いモジュールが
生じ始めていることがこの調査から分かった。各バレルレイヤーでの低検出効率のモジュー
ルの発生の順番をまとめると、
58
第 6. 結果と考察
6.4. 未解決の問題
バレルレイヤー 3 サイド 1 のマイナス η 領域（LB 86 - 105）
↓
バレルレイヤー 1 両サイドのプラス η 領域（LB 271 - 290）
↓
バレルレイヤー 0,2,3 両サイドサイドのプラス η 領域（LB 416 - 435）
という流れである。つまり、全バレルレイヤーの検出効率の低下は同時に起きたものでは
なく、ランの途中で段階的に生じていたことが判明した。しかし、この検出効率の変化のタ
イミングと同期するデータ収集系のトラブルは確認できなかった。
図 6.15: Run#248115 での各バレルレイヤーの検出効率のルミノシティブロック依存性
その他に分かっていること
• 同じ run#248115 において、TRT 検出器では ROD に問題が生じていた。しかし、この
問題との関係性は見出だせていない。
• ラン中にはいくつかのエラーが発生していたが、前節で示した検出効率の低下のタイ
ミングと同期するエラーは見られない。
• 5.1.3 節で示した残差 2 mm の条件を変え、検出効率の再計算を行ったが大きな変化は
得られなかった。
以上がこの問題に対して分かっていることである。同様の問題が衝突データ取得中に発生
した場合、データの質に大きな影響を与えるため、原因の把握が必須である。そのため引き
続き調査を継続中である。
59
61
第7章
まとめ
ATLAS 実験は、LHC 加速器での陽子同士の高エネルギー衝突から生じた粒子を ATLAS
検出器を用いて検出し、素粒子標準模型の検証及び標準模型を越えた物理事象を探索する実
験である。2012 年に収集したデータからヒッグス粒子を発見し、今後の成果にさらなる期待
が寄せられている。
LHC 加速器は 2015 年 5 月に開始が予定される衝突エネルギー 13 TeV での運転（RUN2）
へ向けたアップグレードのため、2013 年 2 月より長期のシャットダウンに入った。ATLAS
実験においても、この長期のシャットダウンに伴ってデータ収集を中断し、ATLAS 検出器の
アップグレード作業を行った。その詳細については本論文第 2 章で報告した通りである。こ
のアップグレード作業を経て、RUN2 開始までに ATLAS 検出器をこれまで通りに動作させ、
その性能を評価する必要があった。そのため ATLAS 実験グループでは、2014 年 2 月から約
1 年間をかけて試験動作期間であるマイルストーンランを複数回設け、段階的に検出器の動
作確認及び評価を行ってきた。2014 年 11 月 24 日から 12 月 8 日に実施した M7 では、一部
を除く ATLAS 検出器全体を動作させ、宇宙線データを取得した。本研究では長期シャット
ダウン中にデータ収集系を大幅に変更した ATLAS 検出器内のシリコン飛跡検出器（SCT 検
出器）に注目し、M7 のデータから検出効率を算出することでその性能評価を行った。
結果、ソレノイド磁石オンの状態でバレル部において 99.67 ± 0.01 %、エンドキャップ部
A サイドで 99.69 ± 0.03 %、エンドキャップ部 C サイドで 98.86 ± 0.05 % の検出効率を得た。
バレル部、エンドキャップ部 A サイドの検出効率は、衝突実験を行っていた 2012 年時に取
得した宇宙線データから求めた検出効率と比較しても良好なものであることも確認できた。
しかし、エンドキャップ部 C サイドの検出効率は要求値の 99 % を下回っている。より詳細
な調査で、エンドキャップ部 C サイド内ではディスク 4, 5, 6 の検出効率が顕著に低いことを
示した。しかし、地面に対して垂直に設置されたエンドキャップ部においては宇宙線の統計
が非常に少なく具体的にどのモジュールが問題なのかは断定できなかった。M7 時点ではま
だ位置アライメントを行っておらず、これがディスク 4, 5, 6 の検出効率低下に繋がった可能
性がある。また、全体では要求値を満たしたバレル部においてもレイヤー 3 の検出効率が低
第 7. まとめ
いことを示した。バレル部レイヤー 3 の検出効率は、TX ラインの修正後にモジュールの調整
が不十分であったために生じた可能性があることをモジュールへのヒット数の η − ϕ 分布を
調査することで示した。2012 年の衝突データで報告されたノイズの高いストリップ数の全体
に占める割合と検出効率との相関を M7 データでも確認したが、明らかな相関関係を見るこ
とはできなかった。
今回の研究で得られた結果から、エンドキャップ部 C サイド及びバレル部レイヤー 3 の
調整が必要であることを示した。とりわけバレル部レイヤー 3 に関しては、問題のあるモ
ジュールが特定できており、すぐに調整が行えるものと考える。今後 ATLAS 実験グループ
は、RUN2 開始前の 2 月と 3 月に M8, M9 を予定している。これらのマイルストーンランに
おいて、今回明らかにした問題部分を重点的に調整し、全レイヤー・ディスクで要求値の 99
% 以上の検出効率を達成することを目指す。また、M7 で生じた未だ原因の分からない未解
決の問題についても調査を続け、今後同様の問題が生じた際に即時に対処できる準備を行っ
ていく。
62
63
謝辞
本論文を終えるに当たって、修士課程での研究生活でお世話になったみなさまへの謝辞を
ここに述べさせていただきます。
九州大学素粒子実験研究室の川越清以教授には、外部の大学からやってきた私を研究室に
あたたかく迎えていただきました。おかげさまで長年憧れていた素粒子実験に携われただけ
でなく、世界を舞台に非常に多くの貴重な経験を持つことが出来ました。
主指導教員の東城順治准教授には、研究を行うに当たって多大なお力添えをいただきまし
た。将来の進路にご理解いただき、研究活動との兼ね合いも考えながら修士課程のプランを
組んでくださいました。また、「どうしても ATLAS 実験に携わりたい」という私のわがまま
を聞いていただき、その機会を与えてくださいました。
音野瑛俊助教・織田勧助教のお二人には、研究の指針に対してアドバイスをいただいたり、
たくさんの質問に答えていただいたり、日々の研究活動を進めていく上で大変お世話になり
ました。音野助教には、CERN 滞在時右も左も分からない私に、普段の生活から外国人コラ
ボレーターとの研究の進め方に至るまで様々なことを教えていただきました。また、週末に
は食事会を開いていただいたのも良い思い出です。おかげさまで CERN での研究活動を非常
に充実したものにすることができました。織田助教は、私のどんな些細な質問にもいつも丁
寧にご返答してくださいました。ときには常識のようなことも知らない私の質問にもイヤな
顔ひとつせず対応していただき、とりわけデータ解析に関して非常に広い知識を得ることが
できました。
CERN にて ATLAS 実験に携わった際には、他大学・研究所のみなさまにも大変お世話に
なりました。高エネルギー加速器研究機構（KEK）素粒子原子核研究所の徳宿克夫氏には
CERN 滞在の予算をいただきました。KEK 特別教授の近藤敬比古氏には、現地で質問に答え
ていただいたり、コードをシェアしていただいたりとお世話になりました。おかげさまで大
変立派なプロットを本論文に載せることができました。ケンブリッジ大学の Dave Robinson
氏、Patricia Ward 氏、Nick Barlow 氏には、多くの質問に答えていただいただけでなく、本
研究の考察を行う上で貴重な助言をたくさんいただきました。シェフィールド大学の Per
Johansson 氏には、SCT 検出器のキャリブレーション作業について丁寧にご教授いただきま
した。筑波大学素粒子実験研究室の伊藤史哲氏、東京工業大学陣内研究室の早川大樹氏のお
二人には CERN での研究活動で常に一緒に行動し、様々な場面で助けていただきました。お
第 7. 謝辞
二人なしでは CERN 滞在を乗り越えることはできなかったと思います。
修士課程では ATLAS 実験だけでなく、J-PARC でのミューオン g-2/EDM 精密測定実験
（E34 実験）、ポールシェラー研究所にて行われている MEG 実験にも参加させていただき、
こちらでもたくさんの方にお世話になりました。E34 実験では、東京大学齊藤研究室の齊藤
直人教授、三部勉准教授、大谷将士氏、KEK の田中真伸氏、内田智久氏、上野一樹氏、庄子
正剛氏に多くのご指導をいただきました。また、神田聡太郎氏、西村昇一郎氏、北村遼氏と
は同じ学生として気軽にたくさんの話をして、KEK での研究活動を楽しませていただきまし
た。MEG 実験では、東京大学森研究室の森俊則教授、大谷研究室の大谷航准教授、KEK 素
核研の西口創氏をはじめ、研究室のみなさまにお世話になりました。とりわけ、澤田龍氏と
現 IHEP の藤井祐樹氏には解析作業を直接ご指導いただき、金子大輔氏と西村美紀氏には現
地での生活のノウハウを教えていただきました。
研究生活において、研究室の他実験に関わるスタッフ、先輩、同輩、後輩のみなさまにも
大変お世話になりました。吉岡瑞樹准教授には、アウトリーチ活動をしたいという私の思い
を応援していただき、サイエンスカフェや実験教室等たくさんの活躍の機会を与えていただ
きました。それらを通して、今後も大切にしていくべき多くの人とのつながりを得ることが
できました。末原大幹助教は実験こそ違えど、同じ居室のメンバーとして私のくだらない話
にも付き合ってくださいました。須藤裕司特任助教もいつも気さくに接していただき、落ち
込んでいるとき多くの励ましもいただきました。山口博史氏は冗談を交えながら気軽にお話
できる兄のような存在でした（「古浦くんの兄になんかなりたくない」とおっしゃるでしょう
が…）。秘書の重松さおり氏には出張が多い我々の書類の整理等に尽力していただいただけで
なく、ときには体調も気にかけていただき大変感謝しております。上野翔氏、大石航氏、松
本悟氏、宮崎陽平氏の先輩方にはいつも優しく接していただき、研究におけるアドバイスを
たくさんいただきました。中居勇樹氏、調翔平氏、田中元気氏、富田龍彦氏の同輩のみんな
は外部から来た私を快く受け入れてくれただけでなく、悩んでいるときにはたくさんの励ま
しの言葉をくれました。みんなのおかげで日々あーだこーだと文句を言いながらも、とても
楽しく 2 年間の研究生活を送ることができました。藤山翔乃氏、平井寛人氏、長澤翼氏、長
島寛征氏、角直幸氏、住田寛樹氏、高田秀佐氏、田中聡一氏、Darnajou Mathieu 氏の M1 の
みなさんには、私のくだらない冗談にいつも付き合ってもらい、またアウトリーチ活動では
たくさんお手伝いをしていただきました。Zhang Jiawei 氏と草内悠哉氏、真玉将豊氏、森下
彩氏、野口恭平氏の B4 のみなさんもいつもしょーもない冗談を笑ってくださいました。な
にも先輩らしいことができずにごめんなさい。
以上、名前を挙げればまだまだキリがないですが、思い起こせば大変多くのみなさま方に
支えていただいた修士生活でした。最後に、大学院に行くという私の選択を応援してくれた
母と姉にも感謝申し上げます。
みなさま、本当にありがとうございました。
64
65
参考文献
[1] The ATLAS Collaboration, Observation of a new particle in the search for the Standard
Model Higgs boson with the ATLAS detector at the LHC, Phys. Lett. B 716, 1-29 (2012).
[2] The ATLAS Collaboration, Evidence for the spin-0 nature of the Higgs boson using ATLAS
data, Phys. Lett. B 726, 120-144 (2013).
[3] Super-Kamiokande Collaboration, Y. Fukuda et al, Evidence for oscillation of atmospheric
neutrinos, Phys. Rev. Lett. 81, 1562 (1998).
[4] G. W. Bennett et al., Final report of the E821 muon anomalous magnetic moment measurement at BNL, Phys. Rev. D 73 (2006).
[5] Lyndon Evans and Philip Bryant, LHC Machine, JINST 3 (2008).
[6] The ATLAS Collaboration, The ATLAS Experiment at the CERN Large Hadron Collider,
JINST 3 (2008).
[7] The CMS Collaboration, The CMS experiment at the CERN LHC, JINST 3 (2008).
[8] The ALICE Collaboration, The ALICE experiment at the CERN LHC, JINST 3 (2008).
[9] The LHCb Collaboration, The LHCb Detector at the LHC, JINST 3 (2008).
[10] The ATLAS Collaboration, ATLAS: Detector and physics performance technical design
report. Volume 1, ATLAS-TDR (1999).
[11] The ATLAS Collaboration, ATLAS: Detector and physics performance technical design
report. Volume 2, ATLAS-TDR (1999).
[12] P. Puzo, ATLAS calorimetry, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A
494, 340-345 (2002).
[13] ATLAS Muon Detector Commissioning, 2009.
[14] The HiLumi LHC Collaboration, HL-LHC Preliminary Design Report, HL-LHC TDR
(2014).
[15] The ATLAS Collaboration, ATLAS Insertable B-Layer Technical Design Report, ATLASTDR (2010).
[16] S. Rajagopalan on behalf of the ATLAS Collaboration, ATLAS Future Plans: Upgrade and
the Physics with High Luminosity, EPJ Web of Conferences 49 (2013).
[17] G Aad et al., ATLAS pixel detector electronics and sensors, JINST 3 (2008).
参考文献
[18] The ATLAS TRT Collaboration, The ATLAS Transition Radiation Tracker (TRT) proportional drift tube: design and performance, JINST 3 (2008).
[19] The ATLAS Collaboration, Operation and performance of the ATLAS semiconductor
tracker, JINST 9 (2014).
[20] A. Ahmad et al., The silicon microstrip sensors of the ATLAS semiconductor tracker ,
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 578, 98-118 (2007).
[21] A. Abdesselam et al., The barrel modules of the ATLAS semiconductor tracker, Nuclear
Instruments and Methods in Physics Research A 568, 642-671 (2006).
[22] A. Abdesselam et al., The ATLAS semiconductor tracker end-cap module, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 575, 353-389 (2007).
[23] A. Abdesselam et al., The data acquisition and calibration system for the ATLAS Semiconductor Tracker, JINST 3 (2008).
[24] F. Campabadal et al., Design and performance of the ABCD3TA ASIC for readout of silicon
strip detectors in the ATLAS semiconductor tracker, Nuclear Instruments and Methods in
Physics Research A 552, 292-328 (2005).
[25] A. Abdesselam et al., The optical links of the ATLAS SemiConductor Tracker, JINST 2
(2007).
[26] S. Fratina et al., The ATLAS Transition Radiation Detector (TRT) Fast-OR Trigger, ATLAS
NOTE (2009).
[27] A. Valassi et al., CORAL and COOL during the LHC long shutdown, J. Phys.: Conf. Ser.
513 (2014).
[28] H. Hayward et al., Measuring the Intrinsic Hit Eﬃciency of the ATLAS SCT Detector using
Cosmic Rays Collected 2008, ATLAS NOTE (2009).
66

Download Report