LHC 高度化計画Ultimate 　 LHC→ 　 HL-LHC 　→　 HE-LHC

徳宿克夫 (KEK)

ATLAS

LHCb

CMSALICE

LHCf

TOTEM

MoEDAL

Four large experiments +Three small ones

Circumference: 26.7kmDesign Energy 7TeV+7TeV

3

ATLAS Collaboration

38 Countries 173 Institutions ~ 2980 active scientists: ~ 1800 with a PhD contribute to M&O share ~ 1100 students2011/10/25

4

ATLAS Collaboration

38 Countries 173 Institutions ~ 2980 active scientists: ~ 1800 with a PhD contribute to M&O share ~ 1100 students2011/10/25

5

ATLAS 日本グループ約 110 名の研究者・院生： 16 研究機関：高エネルギー加速器研究機構、筑波大学、東京大学、東京工業大学、首都大学東京、早稲田大学、信州大学、名古屋大学、京都大学、京都教育大学、大阪大学、神戸大学、岡山大学、広島工業大学、　長崎総合科学大学、九州大学

Higgsの発見

2011/10/25 7

Higgsの発見

μ=0.2+0.7-0.6

なぜ HL-LHCか？• LHC は今後 10 年以上にわたって唯一の

Energy Frontier 加速器

• LHC の衝突点収束系磁石と、実験の Inner tracker は 300-500fb-1 のデータ収集後、放射能損傷によって寿命を迎える。（ 2020年代前半）– 積分ルミノシティ 1000-3000fb-1 の物理をやる

には upgrade が必要。

• どうせなら 3000fb-1 を目指そう。クラブ空洞を入れて 5x1034cm-2s-1 での luminosity leveling による運転。 ( 実験グループにとっても闇雲に Lumi を上げるよりは楽 : 　それでも Nint =100)– この環境でも、現在以上のパフォーマンスを持つ測定器

がほしい。8

アトラス測定器の模式図2008 年に測定器が完成し2009 年から衝突実験が始まっている。

日本が貢献したビーム収束磁石

1000-3000fb-1の物理• Higgs の分岐比測定、 WW 散乱などで EWSB 機構のさ

ならる研究• もし 2015 年からの 13TeV ランで BSM 新粒子が発見

されれば、– その性質測定、さらなる探査

• 発見されなければ– Kinematic limit ギリギリまでの探索。　　　陽子 PDF 　　　　　　→　高いエネルギーのパートンは非常に少ない　　　　　→　高統計が必要

さらなる探索では、エネルギーをあげるのが一番だがそのための R&D はまだまだ時間がかかる→２０３０年以降HE-LHC

H→μμ

数は力大量データによる稀崩壊の探索などで、ヒッグス粒子の性質を精査し、電弱相互作用の対称性の破れの原理に迫る。

高輝度改造後は一度の衝突で１００個以上の陽子が衝突を起こす。それぞれを分離できるように高性能のアトラス検出器に作り変える。

2022 年の探索範囲2032 年の探索範囲

超対称性粒子の探索

クォークのパートナー粒子の質量（ GeV ）

グル

ーオ

ンの

パー

トナ

ー粒

子の

質量

（G

eV）

高エネルギーの限界に限りなく近づく陽子・陽子衝突では、陽子内部にあるたくさんのクォークが反応する。高いエネルギーを持ったクォークは少ないが、数を貯めることで、より高い質量の新粒子の探索を進めることができる。。

高輝度大型ハドロン衝突型加速器（ HL-LHC ）による素粒子実験2012 年にヒッグス粒子を発見した LHC 実験。 2022 年に加

速器と測定器の大改造を行って、その後 10 年間にわたりヒッグスの謎と新粒子探索を進める。

この粒子が標準理論のいうような唯一のヒッグス粒子か？それとも複数のヒッグス粒子の一つか？暗黒物質の正体は？

アトラス検出器の改造

ミューオン対の質量（ GeV ）

ATLAS

計画表 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022

2023 2024 2025 2026 2027 2028 2029 2030 2031 2032

補修 13-14TeV 運転 14TeV 運転LHC 運転

HL-LHC 運転L=5x1034 leveling実験遂行（ 3 年に 1 度ぐらいで長期補修がある見込み）

10 年間で積分ルミノシティ 3000fb-1 をめざす。 (ATLAS CMS が中心）

補修 補修

11

Nominal 　 LHC　　 L=1x1034

Ultimate 　 LHC　 L=2x1034

Long Shutdown 1 LS1

LS2 LS3

Phase 1 upgrade

36 MCHF

Phase 2 upgrade

230+ 45MCHF

Phase 0 upgrade

0 MCHF Extra cost

The Upgrade for ALICE/LHCb

我々としては 2022 年までの Upgrade を一体の物として考える。　（ CERN も 4 実験に対して 2022 年までの全容を今年１０月に示せと命令）

計画表 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022

2023 2024 2025 2026 2027 2028 2029 2030 2031 2032

補修 13-14TeV 運転 14TeV 運転LHC 運転

HL-LHC 運転L=5x1034 leveling実験遂行（ 3 年に 1 度ぐらいで長期補修がある見込み）

10 年間で積分ルミノシティ 3000fb-1 をめざす。　（運転経費 2 億円 / 年　程度＊）　　　＊現在通り、加速器の運転経費を払わないと仮定

補修 補修

前段加速器整備建設 設置

収束磁石 設置建設設計・開発

クラブ空洞 技術協力 設置

加速器建設

測定器アップグレード

設置建設設計・開発 測定器建設

12

Nominal 　 LHC　　 L=1x1034

Ultimate 　 LHC　 L=2x1034

2016 年ぐらいから本格的な建設を始めないと、 2022 年に間に合わない。

13

LHC/ATLAS 改造総額　（ MCHF~ 億円） 年 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 11 年積算

（百万スイスフラン）

　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　

ＬＨＣ　 Injector Upgrade

16 21 38 41 32 22 10 　 　 　 　 180 LHC Performance improving consolidation

14 16 21 28 39 42 305 465

LHC Performance upgrade (HL-LHC) 1 2 6 18 42 52 264 385

加速器全体 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 1030

ALTAS upgradeアトラスのアップグレード予算の全体の年次計画はまだできていない。

311 注：　加速器の建設・改造経費に関してはＣＥＲＮの中期計画書（ MTP2013) を基に作成。従って人件費等を含む）アトラスの費用は Core cost のみ、つまり、 R&D 費用や人件費、設備費などを含まない。

このうち 579MCHF は unfunded 　（つまり足りない ! ）MTP では以下のように表現「 Given the resources required for future large-scale projects, the Management will not only have to make hard choices but will also need to aim to secure contributions (in-cash and in-kind) from non-Member States, as for LHC construction, as well as from new Associate and Member States. On the basis of the level of non-Member State contributions obtained for LHC construction and assuming a realistic scenario of about 40 MCHF per annum in contributions from new Associate and Member States, the total additional funding over an about 10-year period would amount to some 700 to 800 MCHF. 」

14

LHC/ATLAS 改造総額 年 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 11 年積算

（百万スイスフラン）

　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　

ＬＨＣ　 Injector Upgrade

16 21 38 41 32 22 10 　 　 　 　 180 LHC Performance improving consolidation

14 16 21 28 39 42 305 465

LHC Performance upgrade (HL-LHC) 1 2 6 18 42 52 264 385

加速器全体 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 1030

ALTAS upgradeアトラスのアップグレード予算の全体の年次計画はまだできていない。

311 注：　加速器の建設・改造経費に関してはＣＥＲＮの中期計画書（ MTP2013) を基に作成。従って人件費等を含む）アトラスの費用は Core cost のみ、つまり、 R&D 費用や人件費、設備費などを含まない。 ( 日本の費用は、 R&D 、設備費、ポスドクなどを含む）

日本～ 36 億円

日本～ 51 億円

加速器・測定器ともに日本の得意分野で貢献：　　　建設～ 88 億円程度の実予算で、重要な貢献ができる。（それとともに実験の運転経費が年間 2 億円程度必要）

Cf. LHC 加速器への日本の貢献：　 Cash で　　　 138.5 億円 アトラスへ日本の貢献（上記を一部含む）　 45.5 億円

15

大型計画課題名：　　高輝度大型ハドロン衝突型加速器（ HL-LHC ）に　　　　　　　よる素粒子実験　　昨年までの二回の応募にも提出してきた。　　　　　　　　　　　　　　　　　（ 100 億以下ということで、対象外）3 月に提出して、 200 　 Projects 　には残ったが、 Best 　 30を決めるヒアリングには残念ながら残らなかった。

ILC を進める上でも、その直前（あるいはある程度オーバラップを持って） LHC が走っていることは重要。　→　大型計画のベスト 30 とは関係なく KEK から概算要求を進めて行かせて欲しい。（平成 27 年度分はぜひ出したい）

年度 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 10 年積算

（千円） 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　

加速器小計 144,000 139600 506080 446720 752960 668960 369960 319640 281,480 30,000 3,659,400

測定器小計 136,600 175,300 521,110 574,550 1,011,525 818,785 1,094,875 466,000 151,000 138,000 5,087,745

アップグレード小計 280,600 314,900 1,027,190 1,021,270 1,764,485 1,487,745 1,464,835 785,640 432,480 168,000 8,747,145

年次計画　（今年用意したもの）

2015 年まではなんとかやりくり可能でも 2016 年からはないと本当に困る）

16

International Review

• 山内所長のアドバイスもあり、 11 月 21-22 日に KEK で Review委員会。ATLAS-KEK でなく ATLAS-Japan 　を Review.

• 委員の選定済み　（加速器・実験とも内輪1人あとは外部）

Accelerator:Mike Lamont (CERN)Bruce Strauss (DOE)Lucio Rossi(CERN, HL-LHC head)Kaoru Yokoya (KEK)

Experiment:Jonathan Dorfan (OIST)Eckhard Elsen (DESY) 　– Chair personFabiola Gianotti (CERN)Jordan Nash (IC London, CMS)Mihoko Nojiri (KEK, Theory)Andreas Schopper (CERN LHCb)

17

まとめ• 今後 10 年以上にわたって、 LHC が世界で唯一の Energy

Frontier 加速器となる状況。• Ecm=7,8TeV のエネルギーで LHC は順調に運転が進み、ヒッ

グスらしき新粒子の発見などの重要な成果が上がってきている。

• 今後、 LHC において、 BSM の新粒子の探索を続けるとともに、ヒッグスらしき粒子の性質を精査し、 EWSB の機構を研究することが、素粒子物理の最重要課題。　 ILC が稼働するまでは、 LHC で可能な限り精度を上げていく。

• 3000fb-1 のデータ収集には、 2020 年前半に、加速器・測定器のアップグレードが必要（ HL－ LHC ）。 2016 年ごろから、データ収集・解析と並行して、この建設に本格着手する必要がある。

• アトラス実験は KEK及び 15 の日本の大学から約 110人の研究者・大学院生が参加しており、日本の高エネルギー物理での一大コミュニティを形成。加速器・実験の両面での日本の貢献が重要。

18

予備

19

Higgsの精密測定　

H→μμ

H→γγ

Universal 　 KV 、 KF 　 noBSM の仮定なら

たくさん貯めれば、 Rare な崩壊もみえてくる。

20

Higgsの精密測定　　　（非常に conservativeな見積）

• κγ/κZ tested at 2% • gg loop (BSM) κt/κg at 7-12% • 2nd generation ferm. κμ/κZ at 8%

ヒッグス測定精度

21

300fb-1 by 20223000fb-1 by 203X

22

BSM　

HL-LHC リーチ– 3TeV squarks 　　 2.5TeV gluinos– 300fb-1 よりも　 400 GeV 進める

ヒッグス自己結合

23

~ Final confirmation of the Higgs Mechanism ? ~

24

H→HH　

大きなバックグランドの中から信号を探しだす難しい作業（主なバックグランドは tt,ttH など）　　　 HH→bbγγ 　が一番有力な候補。

簡単な Cut-based 解析で、IntL=3000fb-1

　　　　 λHHH=0 -> 26 events　　　　 λHHH=1 -> 15 events

バックグランド　　　 24 　 Events

1 つの実験で 2σ 　 significance

25

Study for the HE-LHC smoothly startingHE-LHC in the LHC tunnel:

27-33 TeV c.o.m. energy 16-20 tesla dipole field

A new 80 km tunnel: for TLEP, then for a VHE-LHCOptimitation could be at 16 T field level: collision

energy 80 TeV c.o.m.Or 100 TeV for 20 T dipolesMuch better new infrastructure. However many costs go linearly, or more, with length. Magnet stored energy, beam energy also a concern

Whatever solution, only a vigorous Magnet R&D will enable to go beyond LHC energy

HE-LHC – LHC modifications

2-GeV Booster

Linac4

SPS+,1.3 TeV, 2030-33

HE-LHC 2030-33

CERN working group since April 2010EuCARD AccNet workshop HE-LHC’10 , 14-16 October 2010, Proc. CERN-2011-003key topicsbeam energy 16.5 TeV; 20-T magnetscryogenics: synchrotron-radiation heatradiation damping & emittance controlvacuum system: synchrotron radiationnew injector: energy > 1 TeVparameters

High Energy-LHC (HE-LHC)

0

20

40

60

80

0 20 40 60 80 100 120

y (m

m)

x (mm)

HTS

HTS

HTS

Nb3Sn

Nb3Sn

Nb3Sn

Nb3Sn

Nb-Ti

Nb-Ti

Turns %Nb-Ti 40 28%

Nb3Sn 58 41%

HTS 45 31%

LHC HE-LHCbeam energy [TeV] 7 16.5dipole field [T] 8.33 20dipole coil aperture [mm] 56 40#bunches 2808 1404IP beta function [m] 0.55 1 (x), 0.43 (y)number of IPs 3 2beam current [A] 0.584 0.328SR power per ring [kW] 3.6 65.7arc SR heat load dW/ds [W/m/ap] 0.21 2.8peak luminosity [1034 cm-2s-1] 1.0 2.0events per crossing 19 76

E. Todesco

hybrid magnet

28

Large Hadron Collider( 大型ハドロン衝突型加速器）

目的　　・質量の起源の 粒子や超対称性粒子などの新粒子を発ﾋｯｸﾞｽ見し、物質の究極の内部構造を探索する｡

LHC 加速器　　・ 7 兆電子 （ﾎﾞﾙﾄ 7 TeV ）の陽子同士を衝突させる。・周長 27km の地下トンネル内に設置される。・ 8.33 の超伝導双極磁石ﾃｽﾗ 1,232 台などからなる。・総重量 35,000 トン , 液体 He120 トン , 液体 N2

10,000 トン。・運転のための消費電力は約 120MW （ CERN 全体で約230MW) 。

・総建設費費は 約 5000 億円、建設期間は 14 年。・ 2008 年 9 月： 450GeV 陽子ビ－ムの周回に成功。　　　　　　　　　大量のヘリウム漏れ事故が発生し修理開始。

・ 2009 年 11 月：世界最高の陽子衝突エネルギー2.36TeV 達成。

・ 2010 年 3 月より 3.5+3.5=7TeV の陽子衝突実験を開始した。

・ 2010 年 11 月より鉛の重イオン衝突実験を開始した。国際協力　・ CERN 加盟国に日・米・露・カナダ・インドなどが協力。・日本は計 138.5 億円の加速器建設協力を行っている。・ KEK は LHC 衝突点の超伝導四極磁石を開発製造した。実験装置・国際共同実験：　アトラス（ ATLAS ）と CMS （ヒッグス・超対称性粒子などの探索）、アリス (ALICE, 重イオン衝突物理）、 LHCb （ B 物理）の他に小実験としてTOTEM, LHCf がある。　

・日本からは、高エネ研 (KEK) ・東京大・神戸大など 15機関から約 100 名の研究者がアトラス実験に、アリス実験には広島大・東京大・筑波大、 LHCf には名大・早大などが参加している。

円形の赤線の地下約 100メートルに周長 27km の LHC 加速器がある。４つの実験装置の場所が黄色丸で示してある。ﾄﾝﾈﾙ

2007 年 4 月 26 日 全ての超伝導磁石約 1700 台が設置された。2007 年 11 月 7 日 全ての超伝導磁石の接続が完了した。

L H C 計 画

29

[1] LHC 建設のための直接建設費　（ CERN-Brochure-2008-001　より抜粋）

　・ LHC の加速器・実験室　　　 3.68 BCHF　・実験装置　　　　 1.24 BCHF

ATLAS 540 MCHFCMS 500 MCHFALICE 115 MCHFLHCb 75 MCHFTOTEM 7 MCHF

-----------------------------　　　合　計 4.92 BCHF 　　　 ( 約 5000 億円）

注： CERN は LHC 計画の全コストを約 100 億ドルと概算している。これは 1994 年より LHC計画に

　　要した CERN と協力機関による経費の概算総計で人件費も含まれている。

[2] LHC 加速器建設における非加盟国による資金協力

日本： 160 MCHF （ 138.5 億円）米国： 200 M$ロシア： 67 MCHF （ただし測定器も込み）カナダ： 60 MCanada$インド： 12.5 MCHF

LHC の建設費の規模

30

1995 年 6 月 23 日 に与謝野馨文部大臣が CERN 理事会に出席し日本による LHC 建設協力を表明した。非加盟国の中では日本が最初であった。その後も日本は資金協力を行い、総計 138.5 億円の建設協力を行った。（ http://cdsweb.cern.ch/record/721046?ln=ja ）

文部大臣 　与謝野馨 CERN DGChris Llewellyn Smith

達磨CERN 理事会における日本政府代表

2008 年 10 月 21 日 LHC完成祝賀式典にて山内俊夫文部科学副大臣が達磨の左目を記入して LHC完成を祝した。（ http://cdsweb.cern.ch/record/1135731 ）