LHC-ATLAS 実験開始に向けたミュー粒子トリガーシステムの統合試運

転

名古屋大学理学研究科高エネルギー物理学 (N) 研究室

奥村恭幸

2008/2/7 修士論文発表会　奥村恭幸

LHC-ATLAS 実験とミュー粒子

ミュー粒子トリガーシステムがヒグス粒子探索の鍵を握る！

25m

44m

√s=14TeVT =25ns

P P

LHC-ATLAS 実験 (2008 年夏開始 )25 ナノ秒毎の 14TeV の衝突を観測しヒグス粒子を探査

解決策高い横運動量ミュー粒子による事象選別

課題低運動量の QCD による大量のノイズ事象 (SHiggs/N 10-10)

ビーム軸方向に指向性を持つ QCD ノイズ事象と差別化

2008/2/7 修士論文発表会　奥村恭幸

トリガーシステム

20 万事象

1 事象Disk に保存

計算機上

デジタル電子回路Level1 Trigger

Level2 Trigger

Event Fileter

•全衝突事象を処理する •高速処理

•処理時間 2.5 マイクロ秒•選別事象数 1 事象 /400 事象

•一度メモリに書き込んだのち計算機上で処理( ソフトウェアトリガー )

•全事象 , 全領域のデータから最終的に選び出す .Level1 ミュー粒子トリガーの試運転は急

務！

三段階のオンライン事象選別システム

処理時間 1.0 秒選別事象数　 1 事象 /20 万事象

2008/2/7 修士論文発表会　奥村恭幸

ミュー粒子トリガーシステム

7 層のヒットコインシデンス情報のみで飛跡を再構成し運動量を算出

Magnet FieldZ

R (wire)

(strip)

Thin Gap Chamber (TGC)•ガス (CO2 +n-pentane)•制限比例領域 (2.9kV)

•ガス増幅率 106

•位置分解能 　 ~1cm

ヒットチャンネル情報から (Z, R,) の三次元で通過位置を検出

三次元的にミュー粒子飛跡を再構成

磁場中での曲率から運動量を概算

2008/2/7 修士論文発表会　奥村恭幸

ミュー粒子トリガー電気回路系

敷設作業をすすめてシステムの動作を実現両サイド同時・ Full Setup を用いた試運転

TGC 32 万チャンネル PS Board 1296 枚 Hpt 192 枚 Sector Logic 72 枚

・・・

パイプライン型トリガーシステムの概念図

読み出しバッファ (FIFO メモリ )

25 ns 周期の衝突1 2 3 N・

・・

25ns/1Step

1 2 3 N

•動作クロック 周期 25 ナノ秒　 ( 衝突に同期 )

•トリガー回路全プロセスを 25ns を単位に細分化

•読み出しバッファN clk 後にデータを出力する FIFOメモリ

両領域の同時運転 Final Setup 領域Temporal Setup 　領域

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トリガー回路系

100m

本研究の目的と手法実験開始までにミュー粒子トリガーシステムを正常動作させるこ

と

トリガーシステムの正常動作• 正確なデータ収集

• 正確な事象選別

テストパルス・宇宙線ミュー粒子を用いたトリガー系動作試験• トリガー発行時間の高速性・安定性

– トリガー信号の発行時間を実際のセットアップを用いた測定

• 全トリガー回路の動作検証– 上流から順にトリガーチェーンに対して検証を行う .

2008/2/7 修士論文発表会　奥村恭幸

高速計算同期運転

論理回路の正常動作

(1) トリガー信号発行時間

• 正確なデータ収集のための発行時間に対する要求– 高速性 ( バッファ容量からくる上限 100CLK(2.5 マイクロ秒 ) 以内 )– 安定性 ( 正確なデータ収集のために 25ns 以下のふらつき )

ATLAS 実験ホール(地下 100m)

電気回路室(地下 80m)

PP ASIC

Trigger 1 Trigger 2 Trigger 3

Readout

SLB Hpt SL

CentralTrigger

Processor

100m

2008/2/7 修士論文発表会　奥村恭幸

トリガー信号発行時間　高速性の検証テストパルスを用いたトリガー信号発行時間の測定

バッファサイズからの要求 :: 全経路での発行時間 100 CLK 以内

ATLAS 実験ホール(地下 100m)

電気回路室(地下 80m)

PP ASIC

Trigger 1 Trigger 2 Trigger 3

Readout

Test Pulse

発行時間 92CLK (2.3 s)

ATLAS 実験の基準 (100CLK) を満たす高速システムであることを実証

69 CLK

2008/2/7 修士論文発表会　奥村恭幸

100m

SLB Hpt SL

CentralTrigger

Processor

トリガー信号発行時間　安定性の検証宇宙線ヒットによるトリガー信号を用いて評価正確なデータ取得のための要求 :: トリガー信号の不定性 << 1CLK 周期 (25ns)

ATLAS 実験ホール(地下 100m)

電気回路室(地下 80m)

PP ASIC

Trigger 1 Trigger 2 Trigger 3

Readout

SLB Hpt SL

CentralTrigger

Processor

安定したタイミングでのトリガー信号生成を実証正確なデータ収集が可能！

1. 飛跡通過を判定する論理　 SLB2. 通過位置を算出する論理　 SLB 3. 飛跡を判定する論理 パラメータ　 ( 位置 / 曲率 ) Hpt4. 運動量を算出 SL

(2) 飛跡再構成論理回路の検証

Station1 2 3

1.

ATLAS 実験ホール(地下 100m)

電気回路室(地下 80m)

PP ASIC

Trigger 1 Trigger 2 Trigger 3

Readout

SLB Hpt SL

CentralTrigger

Processor

2. 3. 4. •運動量•検出位置

飛跡通過判定の論理回路検証ヒットパターンと飛跡通過判定の相関を確認

期待されるヒットパターン•隣り合う層にヒットが存在すること•二層のヒットの検出位置が近く

( 差分 1 以下 ) であること

調査項目•ヒット数 ( ヒット数は 2 以上 )•チャンネル差分 ( チャンネル差分は 1 以内 )

　結果•全 416 IC 中 415 IC が正常に動作 .•1 IC の不具合を発見 .

宇宙線ヒットに対して正常に動作 . 発見した不調 SLB IC は交換

2008/2/7 修士論文発表会　奥村恭幸

ヒット数

レイヤー間チャンネル差分

ヒット数

input

output

飛跡の通過位置を算出する論理回路の検証飛跡通過選別された検出位置と飛跡通過位置の相関を確認 .

全ての飛跡通過位置算出論理回路の正常動作を確認

2008/2/7 修士論文発表会　奥村恭幸

検出位置 (入力 )

飛跡

通過

位置

(出力

)

Trigger 1 Trigger 2 Trigger 3

SLB Hpt SL

input output期待される動作•検出位置に対応した飛跡通過位置

調査項目•飛跡選別された 2 ヒットと ,

飛跡通過位置出力の相関(SLB IC の入力と出力の相関 )

結果•全 416 IC が正常に動作

input

output

飛跡を判定する論理回路の検証トリガーチェーンの入力情報と出力情報の相関を確認

全領域においてトリガーチェーンを有効に動作させることができる2008/2/7 修士論文発表会　奥村恭幸

入力情報

出力

情報

入力情報

出力

情報

Trigger 1 Trigger 2 Trigger 3

SLB Hpt SL

input output

調査項目•飛跡検出位置•曲率情報 ( 差分情報 )の入力との相関

結果•トリガーチェーンシステムとして正常に動作をしていることを確認•光ファイバーの接続の不具合を発見

入力情報

出力

情報

差分情報検出位置情報

100m

まとめLHC-ATLAS 実験 2008 年夏に開始

– ミュー粒子を用いてのヒグス粒子探索– 実験開始前のミュー粒子トリガーシステムの理解 , 正常動作環境の確立

テストパルス・宇宙線を用いたトリガーシステムの動作検証を考案・実践– トリガー信号発行時間の測定

• 高速性 (92CLK), 安定性 (ふらつき 0.2%)

– 飛跡再構成回路の正常動作の検証• トリガーチェーンシステムとしての正常動作を実証 . • 幾つかの不調箇所を発見 .

– IC の故障 (1IC /416 IC) /光ファイバーのコネクションミス

トリガーシステムのデータ収集・事象選別回路の正常動作を実証

ミュー粒子トリガーシステムが実験開始時から正常に動作2008/2/7 修士論文発表会　奥村恭幸