LHC 実 験 の 始 まり 去 年 1 年 でtopも 含 むほとんどの 既 知 の 粒 子 を 再 発 見 Excited quark, W, SUSYなどのlimitを 更 新 Highest mass di jet μ + μ - p T jet1=670 GeV, p T jet2=610

LHC/ATLAS アップグレード の 展 望 2011 年 2 月 28 日 機 構 シンポジウム 徳 宿 克 夫 12 Feb 2011 1

LHC 実 験 の 始 まり 去 年 1 年 でtopも 含 むほとんどの 既 知 の 粒 子 を 再 発 見 Excited quark, W, SUSYなどのlimitを 更 新 Highest mass di jet μ + μ - p T jet1=670 GeV, p T jet2=610 GeV, m jj =3.7 TeV 12 Feb 2011 2

The 10 year technical Plan 見 直 し 中 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 7TeV 1fb -1 13~14TeV ~100fb -1 7TeV:7~8fb -1 L~1x10 34 cm -2 s -1 設 計 値 を 達 成 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 14TeV ~300fb -1 L~2x10 34 cm -2 s -1 HL-LHC 2030 年 までに3000fb 1 12 Feb 2011 3 3

2010-12 年 までのデータで どこまでHiggsを 探 せるか? Higgs 発 見 への 見 通 し(ベーシックな 解 析 手 法 による) 7TeV 15 fb -1 で115GeVに3σ ATLAS/CMS 合 わせれば2012 年 までに 実 現 可 能 12 Feb 2011 4

2010-12 年 までのデータで どこまでSUSYを 探 せるか? 2010 年 のデータの 結 果 : 95% CL (0-lepton mode) CMエネルギーと ルミノシティー でのSUSY 質 量 探 索 範 囲 (GeV) 5σ 12 Feb 2011 5

LHCスケジュール: まとめ 2012 年 までにEcm=7TeVでやれることはほぼ 達 成 す る ヒッグス:ほとんどの 質 量 領 域 で3σ 以 上 SUSY:~1TeVまでの 領 域 欧 州 ロードマップの 見 直 し(2012 年 9 月 )や 次 回 の 学 術 会 議 マスタープランに 重 大 なインプットとなる HL-LHCに 向 けての 予 定 がどう 変 わるかはまだよく わからない 2020 年 からといっていたが 最 低 1 年 は 遅 れると 思 われ る 2012 年 までの 物 理 成 果 によって 話 が 変 わってくる 可 能 性 もある 12 Feb 2011 6

HL-Luminosity で何ができるか? 物理 3000ｆｂ 1の 初期のＬＨＣの結果によって大きく変わる High statistics High precision, rare events? 5 Collisions (0.2 x 1034 cm-2 s-1) 400 Collisions (1035 cm-2 s-1) 多数の衝突が重なった状態での作業 際立った特徴の崩壊過程なら可能 H μμ, H Zγ, WW ＷＷ 等 12 Feb 2011 7

High statistics High Energy 高 輝 度 化 により 実 質 的 に 高 いエネルギーのクォークやグルーオンを 増 やせ る: より 高 いエネルギーで 探 索 が 可 能 になる 陽 子 g g ヒッグス 粒 子 SUSY 探 索 範 囲 : 2.5 -> 3 TeV 陽 子 7TeV 12 Feb 2011 8

3000/fbの 物 理 さらに 高 いエネルギーでの 探 索 ( 直 接 測 定 は (HL-)LHC が 唯 一 の 手 段 ) Higgsの 性 質 の 精 密 測 定 (Higgsの 質 量 によってこの 物 理 の 重 要 度 が 大 きく 変 わる ILCができればそちらが 最 適 ) LHCで 新 現 象 (SUSYなど)が 発 見 された 場 合 の 精 密 測 定 (ILC,SuperKEKBなどとの 間 接 測 定 との 相 補 性 ) 12 Feb 2011 9 9

HL-LHC の 位 置 付 け ILCが 実 現 するまでは LHCが 世 界 唯 一 のエネルギーフ ロンティアマシン 最 大 限 に 活 用 し 高 輝 度 化 によって 高 いエネ ルギー 領 域 の 探 索 を 続 ける ILCの 的 を 絞 った 精 密 測 定 とLHCでの 広 いエネルギー 領 域 での 探 索 は 相 補 的 HL-LHCのための 技 術 開 発 は さらに 高 エネルギーのハ ドロンコライダーへの 道 につながる このR&Dの 基 盤 を 日 本 に 保 つ 12 Feb 2011 10

なぜ 今 動 くのか? 加 速 器 の 高 輝 度 化 のカギを 握 るのは 高 磁 場 磁 石 とクラブ 空 洞 大 強 度 injector: 日 本 の 得 意 分 野 : 欧 米 日 の 加 速 器 の 設 計 チームが 発 足 : 2014 15 年 ぐらいまでに 設 計 が 固 まる いまR&Dを 進 めて 日 本 の 貢 献 をすることが 重 要 : 欧 HL LHCの 開 発 技 術 は さらに 高 エネルギーの 陽 子 陽 子 加 速 器 への 道 にもつながる(HE LHC 2030~) エネルギーフロンティアにも 日 本 が 関 与 していく HiLumi LHC PDR preparation Choice TDR Approval Construction Installation 201112 Feb 2011 2013 2014 2015 2020 11

いかにしてHigh-Luminosityを 達 成 するか L 2 2 N kb f N kb f F F * 4 4 x y n 2クラブ 交 差 Lumi: x1.5 1さらに 強 い 収 束 磁 石 日 本 の 得 意 分 野 3よりたくさんのビーム を 入 射 : Injector upgrade N: 1.15x10 11 1.5-1.7x10 11 Lumi: x2-3 β* = 0.55m -> 0.23m Lumi: x1.6 ( 正 面 衝 突 ならx 2.5) 4コリメータのアップグレード12 12

LHC upgradeのための 技 術 開 発 High Gradient/Large Aperture の 磁 石 の 開 発 (B peak 13-15 T)が 必 要 : 今 のLHCの 線 材 (NbTi)では 無 理 米 国 LARP (LHC Accelerator Research Program )でNb 3 Snの 開 発 が 進 む KEK-CERNでNb 3 Alの 開 発 Technology Choice ~2014 頃 L 2 N kb f F * 4 n 現 行 のLHC inner triplet Nb 3 Sn is becoming a reality (first LQ long -3.6 m quad 90 mm) L.Rossi 13 13

Potential of Nb 3 Al 4000 Jc vs. B 中 本 Jc (A/mm2) 3500 3000 2500 2000 1500 NbTi(4.2K) NbTi(1.9K) (NbTa)3Sn(PIT) Nb3Sn(RRP) Nb3Al(RHQT) Nb3Al(RHQT) 1000 500 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 B(T) Nb3Al has, -Lower critical current density (Jc) than Nb 3 Sn. -But, less-sensitivity to strain, stress. >> Candidate for HFM w/ large aperture, like D1. >> Possibility of "React-Wind" technology Similar to current, matured "NbTi" coils. No heat reaction or impregnation after coil winding.

衝 突 点 近 くのデザイン 素 案 (L. Rossi) HL LHC change in layout Discussion since 6 months, serious option is envisaging 5 new D1s as possible KEK contribution to HL LHC Today: Two in One Ø =56 mm; 4.2K HL LHC: Two in One Ø70 mm; 1.9 K Today: 6 x 3 m x1.5 T; h=80 mm HL LHC: 1 x 4 m x 7 T; Ø=150 mm ATLAS Dispersion suppressor Matching section Separation dipoles Final focus Today: Q4 Two inone Ø=70 mm, 4.2 K; D2 9 m x 3.5 T, 4.2 K HL LHC: Q4 Two in One Ø=90 mm, 1.9 K; CRAB CAVITY; D2 9 m x 5 T; 1.9 K Nb 3 AlかNb 3 Snかという2 者 択 一 でなく 将 来 を 見 据 えたR&Dの 場 ともとらえられる Nb 3 Alの 物 性 の 基 本 研 究 (J-PARCで 中 性 子 回 折 )や 耐 放 射 線 レジンの 開 発 など

クラブ 空 洞 L 2 N kb f F * 4 n BNL CI/DL KEK KEK CI/DL SLAC JLAB 世 界 中 の 研 究 所 で 設 計 競 争 がはじまっている 衝 突 点 付 近 でバンチの 向 きを 変 えること で 輝 度 を 上 げる KEK-Bが 唯 一 の 実 用 例 Crab Cavities: this is the best candidate for exploiting small (for around nominal only +15%). However it should be underlined that today Crab Cavities are not validated for LHC, not even conceptually: the issue of machine protection should be addressed with priority. SPSでの 予 備 実 験 を 検 討 KEK-Bの 16 クラブ 空 洞 を 使 う 可 能 性 も 検 討 16

Layout of the new injectors SPS PS2 SPL PSB 2GeV PS Phase1 Linac4 LHCアップグレードで 新 しい 加 速 器 はLinac4のみ( 建 設 中 ) PS-boosterのenergy-up で 対 処 ( 1.4->2 GeV) SPSにも 手 を 入 れないといけない (space-charge, L. Evans EDMS Document e-cloud 905931 RF)

測 定 器 アップグレード 去 年 の 重 イオン 衝 突 事 象 : Pixel/Strip 測 定 器 は 優 れた 性 能 を 示 している MCでの 記 述 も 良 好 HL-LHC のスタディをを 信 頼 度 高 く 進 める 準 備 ができつつある 18

ATLAS Detector: 日 本 グループの 寄 与 Tracking ( <2.5, B(solenoid)=2T) : -- Si pixels and strips Length : ~ 46 m -- Transition Radiation Detector (e/ separation) Calorimetry Time-to-digital ( <5) : conversion chips for muon Radius drift : tubes ~ 12 m (100%) -- EM : Pb-LAr Weight : ~ 7000 tons --End-cap HAD: Fe/scintillator muon triggering (central), Cu/W-LAr system (fwd)(tgc) (~50%) Muon Spectrometer ( <2.7) : ~ 10 8 electronic channels air-core toroids with muon chambers ~ 3000 km of cables 12 Feb 2011Silicon microstrip tracking system (SCT) (~20%) 19 Superconducting Central Solenoid (Japanese contribution:100%)

ATLAS Detector upgrade Plan Magnet System には 変 更 なし Tracking ( <2.5, B(solenoid)=2T) : -- Si pixels and strips Length : ~ 46 m -- Transition Radiation Detector (e/ separation) Calorimetry ( <5) : Radius : ~ 12 m -- EM : Pb-LAr Weight : ~ 7000 tons -- HAD: Fe/scintillator (central), Cu/W-LAr (fwd) Muon Spectrometer ( <2.7) : ~ 10 8 electronic channels air-core toroids with muon chambers ~ 3000 km of cables 12 Feb 2011 20 Inner Tracker は 全 部 新 しくする(All Silicon, Pixel/Short-Stripの 多 用 ) Calorimeterは LVL1 Trigger を 完 全 に 入 替 える Muon はレートの 高 いところだけの 変 更

Inner Tracker のレイアウトの 変 更 Muon のバックグランド L=10 34 s -1 cm -2 L=10 35 s -1 cm -2 現 在 ピクセルとストリップの 層 数 の 最 適 化 バレル とエンドキャップの 区 分 けなどの 最 適 化 の 議 論 inner tracker subcommittee ; 徳 宿 chair 12 Feb 2011 ミューオントリガーをどう 改 良 するかも 検 討 中 inner muon chamber: 川 本 PL 21

LHCアップグレード ( 日 本 グループの 取 り 組 み) 粒 子 密 度 の 増 加 バンチ 当 たり 約 10,000 個 の 発 生 粒 子 日 本 でもストリップ ピクセル 検 出 器 の 開 発 を 開 始 ピクセル センサー 自 体 の 開 発 (n-in-pセンサーの 技 術 の 適 用 ) ASIC,ハイブリッドと 一 体 化 したモジュールの 開 発 (バンプボンディング クーリング 等 サービスの 確 立 ) トリガーレートの 増 加 本 物 のミューオンの 増 加 とともにFakeヒットの 増 加 最 内 層 のミューオンチェンバーの 入 替 え トラックトリガーの 開 発 日 本 もExpression of Interest を 出 し Muon/Triggerのスタディを 進 めている ; 海 野 ( 筑 波 東 工 大 阪 ) Pixelでも 3D 等 のオプションが 提 案 されている 今 R&Dをきちんとや らないと 主 導 権 を 握 れない 新 しいMuon Trigger Chamber をト リガーに 使 えるか? : 佐 々 木 ( 東 京 名 古 屋 神 戸 ) Short Strip module Pixel test at DESY Hamamatuのピクセル 12 Feb 2011 Thinning 320 150μm22

まとめ LHCのアップグレード(High luminosity LHC; HL-LHC)はLHC の 性 能 を 最 大 に 引 き 出 すプロジェクト ルミノシティーを5x10 34 cm -2 s -1 に 長 い 期 間 保 つ 運 転 を 行 う (Luminosity leveling) 2030 年 までに 実 験 あたり3000fb -1 の 積 分 ルミノシティー High Luminosity -> High Energy reach (SUSY 2.5TeV 3TeV) ATLAS 日 本 もHL-LHCでの 実 験 へ 向 けての 準 備 に 取 り 掛 かっている HL-LHCはLHC 本 体 とInjectorの 両 方 のプロジェクト LHCに 関 しては 衝 突 点 近 傍 の( 収 束 磁 石 クラブ 空 洞 )の 入 れ 替 え 入 射 器 のアップグレードはLinac4と PSBのエネルギー 増 加 HL-LHCのデザインは 今 年 になって 大 幅 に 見 直 しされ 2014 年 (?) 頃 までに デザインを 決 める 高 磁 場 磁 石 クラブ 空 洞 と 日 本 の 得 意 な 分 野 が 含 まれるプロジェクト 設 計 段 階 の 寄 与 は 非 常 に 有 意 義 設 計 R&Dへの 関 与 が 始 まっている 2030 年 からEcm=33TeVの Higher-Energy LHC (HE- LHC)を 作 る 可 能 性 を 今 年 になってCERNが 表 明 している カギを 握 るのは 高 磁 場 磁 石 である つまり HL-LHCの 収 束 磁 石 のR&D がどれだけ 進 むかが HE-LHCが 実 現 するかどうかを 決 める HL-LHCへの 協 力 は 日 本 がEnergy Frontier 実 験 を 続 けるうえで 重 要 な 選 択 肢 23