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

徳宿克夫(KEK)

ATLAS LHCb

CMS ALICE

LHCf

TOTEM

MoEDAL

Four large experiments + Three small ones Circumference: 26.7km Design Energy 7TeV+7TeV

3

ATLAS Collaboration

38 Countries 173 Institutions ~ 2980 active scientists: ~ 1800 with a PhD contribute to M&O share ~ 1100 students 2011/10/25

4

ATLAS Collaboration

38 Countries 173 Institutions ~ 2980 active scientists: ~ 1800 with a PhD contribute to M&O share ~ 1100 students 2011/10/25

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

2011/10/25 6

Higgs-like 新粒子の発見（７月）

2011/10/25 7

Higgs-like 新粒子の発見（７月）

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Higgs-like new particle (2012年9月までのデータ時点）

Min. p0 : 7.0σ （SM expected 5.9σ） μ = 1.35 ± 0.19 ± 0.15

Spin/Parity 解析の始まり ： ０＋ とは無矛盾

様々な崩壊モードの確認 有意に見えているのはまだγγ、ZZ、WWのみ

新粒子の信号はより顕著に

この粒子の性質の理解が最重要事項 本当にEWSBに関連した粒子か？

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。

補修 補修

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Nominal LHC L=1x1034

Ultimate LHC L=2x1034

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。

10

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

Higgsの精密測定 （非常にconservativeな見積）

12

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

Higgsの精密測定

13

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。

H→HH

14

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

BSM

15

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

Proposed Update of the European Strategy for Particle Physics (Draft)

16

c) The discovery of the Higgs boson is the start of a major programme of work to measure this particle’s properties with the highest possible precision for testing the validity of the Standard Model and to search for further new physics at the energy frontier. The LHC is in a unique position to pursue this programme. Europe’s top priority should be the exploitation of the full potential of the LHC, including the high-luminosity upgrade of the machine and detectors with a view to collecting ten times more data than in the initial design, by around 2030. This upgrade programme will also provide further exciting opportunities for the study of flavour physics and the quark-gluon plasma.

欧州連略文書（ドラフト）ではヨーロッパの最優先プログラムに挙げられている。 LHCの建設の時のように、全世界的なサポートのもとに進めることが重要

17 0.E+00

2.E+34

4.E+34

6.E+34

8.E+34

1.E+35

0 5 10 15 20 25

Lum

inos

ity (c

m-2

s-1)

time (hours)

1035 - no level Level at 5 1035 34

Average no levelAverage level

2010年 平均pp衝突数 ～２

2011年 平均pp衝突数 ～10

2012年 平均pp衝突数 ～２０

L=5×1034 → 平均衝突100！

Luminosity Leveling: ビームの寿命をのばすとともに、 実験の難しさも少し緩和

HL-LHCの実験は楽じゃない

ATLAS、CMSのビーム最終収束部を交換

HL-LHC加速器

さまざなLuminosity Leveling • クラブ空洞でのバンチの向きの変化 • β*の変化 • ずらし衝突（← 現在LHCbで使用）

前段加速器のアップグレード

クラブ空洞に関する技術交流 軌道解析 等への貢献

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LINAC4 建設中（2018年） 使用開始

PSブースター

PS

SPS

LHC

ATLAS実験

金属磁性体空洞の中身 J-PARC加速器で開発

設置直前の５連空洞とアンプ５台 ← ここに日本が貢献

前段加速器

• 磁石開発要素 – 6T級＋大口径（φ130~150） → コイル応力、磁場精度（鉄の飽和、漏れ磁場） – 大量の放射線、入熱（1022n/m2, 数10MGy,~100W）

@3000fb-1

→ 耐放射線性材料の開発・評価、 冷却・除熱性能の向上

20

現在検討中のD1磁石断面

HL-LHC加速器（磁石）

D1: KEK

衝突点

Q1-3: US-LARP(Nb3Sn) or CERN(NbTi)

D2: BNL Q4-6: CEA/Saclay

HL-LHCでの磁石開発分担

J-PARCでの放射線照射テスト

共同設計が始まっている

• 磁石開発要素 – 6T級＋大口径（φ130~150） → コイル応力、磁場精度（鉄の飽和、漏れ磁場） – 大量の放射線、入熱（1022n/m2, 数10MGy,~100W）

@3000fb-1

→ 耐放射線性材料の開発・評価、 冷却・除熱性能の向上

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現在検討中のD1磁石断面

HL-LHC加速器（磁石）

D1: KEK

衝突点

Q1-3: US-LARP(Nb3Sn) or CERN(NbTi)

D2: BNL Q4-6: CEA/Saclay

HL-LHCでの磁石開発分担

J-PARCでの放射線照射テスト

共同設計が始まっている

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アトラス実験（１） 内部飛跡検出器の総入替

ピクセル検出器

飛跡検出器のレイアウト案 （外側がストリップ型検出器）

10cm ストリップ型検出器の試作機 後方は8モジュールを組合せたテスト機

HL-LHCにの放射線量に耐えられるシリコン測定器の開発が始まっている。

総入れ替えなので、大規模な建設： Pixel 8.2 m2 6億ch Strip 193 m2 7千万ch

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アトラス実験（２） トリガーシステムの改良 Outer MDT

Middle MDT (BW)

µ Inner MDT

高分解能のミューオン検出器を総合したトリガーシステムの概念図

日本グループが建設したトリガー用の端部ミューオン測定器

2018年に交換する内部ミューオン検出器

23

高分内部飛跡検出器の情報からトラックの情報を取り出す専用ハードウェアの開発基板

カロリメータトリガーの専用ハードウェアの模式図。この後にミューオンの情報とカロリメータの情報を組合せる回路をおく可能性を検討する。

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

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Nominal LHC L=1x1034

Ultimate LHC L=2x1034

2015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。

LHC/ATLAS 改造総額

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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

15 23 28 28 41 33 7 175

LHC Performance improving consolidation

15 17 22 30 41 44 44 49 76 76 47 461

LHC Performance upgrade (HL-LHC)

0 15 22 40 50 50 51 50 41 30 11 360

加速器全体 996

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。

327

注： 加速器の建設・改造経費に関してはＣＥＲＮの中期計画書を基に作成。 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～35億円

日本～40億円

加速器・測定器ともに日本の得意分野で貢献： 建設～７５億円程度の実予算で、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）

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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 これ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） HL-LHCのための加速器・ATLAS検出器改造 これにより、ヒッグスを含む標準理論の検証と新粒子の探索 予算規模： ～７５億 （日本の分） （１０年 メインの期間２０１６－２０２２年）： 建設に関する費用のみ。 実験運転経費含まない。 （それは年間2億円程度 LHCでもHL-LHCでもほぼ同じと 見込まれる。） 提出機関： 高エネルギー加速器研究機構

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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）。2015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。

予備

28

29

2011 126 GeV 3.5σ (exp. 1.6σ) 2012 126.5 GeV 5.1σ (exp. 2.9σ ) 2011+2012 126.5 GeV 6.1σ (exp. 3.3σ)

Data sample mH of max local significance significance obs. (exp. SM H) 2011 124.1 GeV 2.5 σ (1.4) 2012 123.3 GeV 3.4 σ (2.8) 2011+2012 123.5 GeV 4.1 σ (3.1)

Higgs-like new particle (12月時点）

30

Study for the HE-LHC smoothly starting HE-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-LHC Optimitation could be at 16 T field level: collision energy 80 TeV c.o.m. Or 100 TeV for 20 T dipoles Much 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 2010 EuCARD AccNet workshop HE-LHC’10 , 14-16 October 2010, Proc. CERN-2011-003 key topics beam energy 16.5 TeV; 20-T magnets cryogenics: synchrotron-radiation heat radiation damping & emittance control vacuum system: synchrotron radiation new injector: energy > 1 TeV parameters

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

E. Todesco