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Day 2-3(6)　:　１１月２１日（火）相対時限：参（絶対時限：五）早稲田大学大学院：粒子実験特論C: 

Day 2-3(6)　:　１１月２１日（火） 相対時限：参（絶対時限：五） 早稲田大学大学院：粒子実験特論C 将来実験：　ＬＨＣ、ＩＬＣ 　　寄田浩平 シカゴ大学　エンリコフェルミ研究所

世界の主要な高エネルギー加速器実験施設: 

世界の主要な高エネルギー 加速器実験施設 日本：KEK SLAC:スタンフォード線形加速器センター（サンフランシスコ） BNL：ブルックヘブン国立加研究所（ニューヨーク） DESY：ドイツ電子シンクロトロン研究所 CERN：欧州共同原子核研究機構（スイス） FNAL：フェルミ国立加速器研究所（シカゴ） 注意：ニュートリノ実験は除きました。

Slide3: 

LHC Large Hadron Collider ＠CERN 重心系E＝１４TeV （Tevatron＝１．９６TeV） ２００８年より稼動開始予定！

欧州合同原子核研究機構（CERN）でのLHC実験: 

欧州合同原子核研究機構 （CERN）でのLHC実験

ATLAS実験: 

ATLAS実験 A　Toroidal LHC AppratuS アトラス実験の国際チームは、34ヵ国から151の大学・研究所が参加し、研究者数が約1500名からなるグループで構成される。 現在も続々と研究者が集まってきている。最終的には2000から3000人規模のかつてない巨大共同実験になる。 Albany, Alberta, NIKHEF Amsterdam, Ankara, LAPP Annecy, Argonne NL, Arizona, UT Arlington, Athens, NTU Athens, Baku, IFAE Barcelona, Belgrade, Bergen, Berkeley LBL and UC, Bern, Birmingham, Bonn, Boston, Brandeis, Bratislava/SAS Kosice, Brookhaven NL, Bucharest, Cambridge, Carleton/CRPP, Casablanca/Rabat, CERN, Chinese Cluster, Chicago, Clermont-Ferrand, Columbia, NBI Copenhagen, Cosenza, INP Cracow, FPNT Cracow, Dortmund, JINR Dubna, Duke, Frascati, Freiburg, Geneva, Genoa, Glasgow, LPSC Grenoble, Technion Haifa, Hampton, Harvard, Heidelberg, Hiroshima, Hiroshima IT, Indiana, Innsbruck, Iowa SU, Irvine UC, Istanbul Bogazici, KEK, Kobe, Kyoto, Kyoto UE, Lancaster, Lecce, Lisbon LIP, Liverpool, Ljubljana, QMW London, RHBNC London, UC London, Lund, UA Madrid, Mainz, Manchester, Mannheim, CPPM Marseille, MIT, Melbourne, Michigan, Michigan SU, Milano, Minsk NAS, Minsk NCPHEP, Montreal, FIAN Moscow, ITEP Moscow, MEPhI Moscow, MSU Moscow, Munich LMU, MPI Munich, Nagasaki IAS, Naples, Naruto UE, New Mexico, Nijmegen, Northern Illinois, BINP Novosibirsk, Ohio SU, Okayama, Oklahoma, LAL Orsay, Osaka, Oslo, Oxford, Paris VI and VII, Pavia, Pennsylvania, Pisa, Pittsburgh, CAS Prague, CU Prague, TU Prague, IHEP Protvino, Ritsumeikan, UFRJ Rio de Janeiro, Rochester, Rome I, Rome II, Rome III, Rutherford Appleton Laboratory, DAPNIA Saclay, Santa Cruz UC, Sheffield, Shinshu, Siegen, Simon Fraser Burnaby, Southern Methodist Dallas, NPI Petersburg, Stockholm, KTH Stockholm, Stony Brook, Sydney, AS Taipei, Tbilisi, Tel Aviv, Thessaloniki, Tokyo ICEPP, Tokyo MU, Toronto, TRIUMF, Tsukuba, Tufts, Udine, Uppsala, Urbana UI, Valencia, UBC Vancouver, Victoria, Washington, Weizmann Rehovot, Wisconsin, Wuppertal, Yale, Yerevan

ATLAS検出器: 

ATLAS検出器 Calorimeter (<4.9) Liq.Ar EM/HAD/FCAL, Tile HAD, FCAL good e/ id, energy, ETmiss Muon Spectrometer(<2.7) MDT/CSC, RPC/TGC air-core toroidal magnet Bdl = 2~6Tm (4~8Tm) Inner Tracking (<2.5) Pixel, Silicon Strip, TRT 2T solenoid magnet good e/g id, t/b-tag

ここでビデオを２０分見てもらいます。ATLAS広報作成の紹介ビデオです。: 

ここでビデオを２０分見てもらいます。 ATLAS広報作成の紹介ビデオです。

LHC計画の目的（2点につきる！）: 

LHC計画の目的 （2点につきる！） １. 標準模型が予言するヒッグス粒子を発見し、（見つかれば）、その性質を研究する。 ２． 標準模型を越える物理法則を探求する：　 　　　　例：超対称性粒子の発見 　　　　　　余剰次元理論の検証 　　　　　　クォークの内部構造 　 　　１４ＴｅＶ！→　まだまだ、新粒子、新現象が入り 　　　　　　　　　　　込むPhase Spaceはあるだろう！

生成断面積の比較: 

L=103４cm-2s-1でのrate Total rate: 109 Hz b quark: ~107 Hz W boson: 2000 Hz >0.7TeV jet: 1 Hz 150GeV higgs: 0.3 Hz S/N ~10-10 nb (nano-barn) =10-33cm2 重心系のエネルギー 生成断面積の比較

ＬＨＣデータ量: 

LHCの4実験で1年間に蓄積されるデータを全部CDROMに焼いたとすると図のようになる。 ATLASだけで年間5PB(ペタバイト=1015バイト)に及ぶ。 raw data size 1.6 MB event rate 200 Hz ESD size 500 kB AOD size 100 kB 実験で取れたデータを世界に分散する 計算機センターに送り処理する。 ＬＨＣデータ量

Ｇｒｉｄ: 

グリッド：認証をもらった人は世界に分散した CPU資源を使い計算することが出来る。 Ｇｒｉｄ

ＳＭヒッグスの生成過程: 

生成断面積　σ(pb) グルーオン融合 Ｖｅｃｔｏｒ Boson 融合 tt付随生成 W/Z付随生成 ４種類の生成法が存在する 標準ヒッグス粒子の質量　（ＧｅＶ） グルーオン融合 Ｖｅｃｔｏｒ Boson 融合 ＳＭヒッグスの生成過程

ヒッグス探索のまとめ（表）: 

ヒッグス探索のまとめ（表）

（ＭＣ）探索例（Ｈ→ττ）: 

120 GeVのヒッグス粒子 （ＭＣ）探索例（Ｈ→ττ）

新しい物理の発見の期待: 

新しい物理の発見の期待 アトラス実験：積分ルミノシティで 30 fb-1　(初期の約2年分） ヒッグス粒子の質量 300GeV 8通りのHの崩壊 モードが使える 黒線がトータル （いろいろなモード） 5 σ で発見 １００GeVから１TeV までの全ての領域で 最初の１-2年で発見 することができる！ 100GeV 1000GeV ヒッグス粒子探索 大統一理論（電磁気力＋弱い力＋強い力） もしくは、何も無かったら？ →　新しい理論構築を迫られる。 →　標準模型の破綻は一体どこで、どの精度で起こるのか？ →　新たな実験を模索する。 →　もちろん物理は高エネルギーだけではない。 　　　宇宙：ダークマター、ダークエネルギーなど →　う～ん、職を変えるか？ 　　　いやいや、まだ終わらない。次の発想をしよう！

究極目標: 

力 の 統 一 or 分 化 BigBan 現在 磁力 電気力 弱い力 強い力 地上重力 天体重力 重力 ＱＣＤ 弱い相互作用 ＱＥＤ電磁力 電弱理論 大統一理論 究極目標

これから10年: 

これから10年

Fast TracKer (FTK)Trigger Proposal for high-luminosity RunU of Chicago, UIUC, Pisa ＩＮＦＮ（Italy) e.t.c.: 

Fast TracKer (FTK) Trigger Proposal for high-luminosity Run U of Chicago, UIUC, Pisa ＩＮＦＮ（Italy) e.t.c.

トリガーレートとイベントサイズ: 

トリガーレートとイベントサイズ

トリガーフロー: 

75 kHz ~ 2 kHz ~ 200 Hz Rate Target processing time ~ 2 s ~ 10 ms 2 μs High Level Triggers (HLT) Level-2 + Event Filter Software trigger Level-1 Hardware trigger トリガーフロー

ＦＴＫはどこにいれる？: 

high-quality tracks: Pt>1 GeV Ev/sec = 50~100 kHz Very low impact on DAQ PIPELINE LVL1 Buffer Memory ROD Buffer Memory FE FE Raw data ROBs No change to LVL2 ＦＴＫはどこにいれる？

ＳＶＴと同様に、、、: 

Find low resolution track candidates called “roads”. 　　Solve most of the combinatorial problem. ＳＶＴと同様に、、、

Online Tracking : A tough Problem: 

m m m 30 minimum bias events + H->ZZ->4m m Tracks with Pt>2 GeV Where is the Higgs? Help! Online Tracking : A tough Problem

Triggers: 

ATL-COM-DAQ-2002-022 F. Gianotti, LHCC, 01/07/2002 & CMS TDR 6 Scenario: L= 2 x 1033 deferral ATLAS 40 m20 2m10 0.8 0.2 MU20 2MU6 HLT rate (Hz) HLT selection LVL1 rate (kHz) LVL1 selection Triggers

物理にどうやって役立つか？: 

Hard life for all LVL2 objects! 物理にどうやって役立つか？

Physics Motivation: 

Physics Motivation So with FTK, > Lowering LVL1 threshold and adding btagging at LVL2. > How much singal acc. Increases ? -> How much can we lower tan ? -> How well can we see H/A mass distribution ? (If it exists). In the MSSM framework, for high mass Higgs & large tan, H/A->  channel seems promising for discovery. (down to tan~10-20) (1) But hard to reconstruct the mass. (2) Other BR measurement. -> Still need H/Abb ->4b’s channel ! Difficulty : QCD multijets. (~mb) From TDR (‘99) with 300fb-1

Signal Process: 

Signal Process (each sample was generated with Atlfast simulation) If MA > 150 GeV, A and H masses are degenerated and experimentally undistinguishable. Consider H/Abb -> 4 b’s process. Coupling to up-type is enhanced at low tan, so decay into tt becomes large. > bb decay : ~85-90% if tan >20 Cross section  BR (pb)

Strategy: 

Current 4J Menu w/o btag Strategy 4J LVL1 Out ~200Hz 4J LVL2 Out ~100Hz 75KHz 40MHz LVL1 LVL2 1KHz EF 100Hz Total Rate Setup : > Assume Max 4J LVL1 output rate is 1KHz. > LVL2 output unchanged. - How much can lower the LVL1 threshold ?

4Jet Trigger Rate @ 2x10^33: 

4Jet Trigger Rate @ 2x10^33 4jets w/o btag MAX LVL1 Out 1KHz TDR : LVL1 Out 200Hz Max LVL2 Out : 100Hz > With FTK, threshold can be lowere down to 40 from 60 GeV, giving 1KHz. * Again we just assume Max 4J LVL1output is 1KHz, not limited by LVL2 reduction but data transfer and 4J trigger budget. Note : x-axis is Atlfast Pt, not LVL1 calorimeter cluster Et.

LVL2 Reduction (Cont.): 

LVL2 Reduction (Cont.) > It depends on the number of fiducial jets and real b quark contents. > Pythia and Sherpa are not much different. But it seems PYTHIA gives lower reduction i.e. it has either more fiducial Jets or/and more real b quarks. With FTK btagging at LVL2, We need a reduction factor of >10 in order to keep Jet Pt threshold. So the following condition would be enough : > 2tag if Ru > 10 (10% mistag) > 3tag if Ru > 4 (25% mistag) > 4tag for any Ru (>2) better Working point in this talk.

Figure of Merit @ Trigger Level: 

Figure of Merit @ Trigger Level @ MA = 150 GeV : >1btag (left) : x3 higher acceptance while keeping trigger rate. >2btag (right) : x1.5-2 times higher acceptance while keeping trigger rate.

Discovery Reach After Offline Optimization: 

Discovery Reach After Offline Optimization This improvement comes from lowering 4J threshold from 60 GeV (200 Hz) to 40 GeV (1KHz). We can keep 40 GeV even @LVL2 and trigger rate is ~100Hz by FTK btagging. Great improvement !!! Optimized S/sqrt(B), with 4btags (Offline): b=50%, c=10%,Ru =100

ＩＬＣＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｌｉｎｅａｒ Collider: 

ＩＬＣ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｌｉｎｅａｒ Collider 次期実験プロジェクト 国際線形加速器 （電子・陽電子）

IＬＣ計画：国際協力: 

IＬＣ計画：国際協力 ICHEP(2004年夏、北京）で世界の主要高エネルギー研究所の首脳が 国際線型加速器(ILC)の実現に向けて協力していくことに合意　

最高エネルギーe+e-　コライダー：ILC: 

最高エネルギーe+e-　コライダー：ILC 電子源 超伝導加速空洞 ダンピング･リング 測定器 ILC加速器のビーム主要諸元 衝突エネルギー： 0.2~1.0 TeV ルミノシティー　 : 2~3x1034cm-2s-1 全長　　　　　　　 : ~45km

ILC の物理: 

ILC の物理 ヒッグス粒子、ＳＵＳＹ，余剰次元模型検証　などなど、、。

ILC Schedule: 

ILC Schedule ~2015 実験開始

e+e- linear collider の特徴: 

e+e- linear collider の特徴 固定標的実験に比べて、Collider 実験は 衝突ルミノしティーは低いが、衝突エネルギーが大きくしやすい 陽子･陽子衝突(Tevatron, LHC)に比べて、e+e- 衝突実験は「素粒子」衝突なので、 ビームエネルギーが有効利用され、バックグランドが少ない(クリーン) 初期状態が明確で、理論予測が精密  微小な違いも見逃さない、精密実験が可能 が、高エネルギーを達成するのが難しい 円形コライダーに比べ、リニアーコライダーは 制動輻射によるエネルギー損失がないので、効率的に高エネルギーが達成できる 高加速度勾配(>30MeV/m)、極微小ビームサイズ(~5nm)の達成が必要

History of e+e- Collider: 

History of e+e- Collider

e+e- 反応の全断面積: 

e+e- 反応の全断面積

断面積とイベント･レイト: 

断面積と イベント･レイト 50 5k 500k 500fb-1 あたりイベント数 ILC

ヒッグス研究の要点: 

ヒッグス研究の要点 標準模型では、ゲージ力に基づく理論である。しかし、粒子の質量項はゲージ対称性を破るので、自発的対称性の破れにより粒子の質量が生成される機構を採用した(ヒッグス機構)。これにより、ヒッグス粒子が予想されている。 最近のデーターからは、軽いヒッグス粒子が予想されるが、まだ見つかっていない。 ヒッグス粒子は標準模型の中で唯一のスカラー粒子である。 真空に凝縮している粒子である　 ヒッグス粒子の性質（質量、生成断面積、崩壊分岐比など）は、高いエネルギーでの物理により変わる。 ヒッグス粒子は発見するだけでなく、その性質を精密に調べ、高いエネルギーの物理のヒントや、真空の性質の理解 を深めることが重要である。 I L C

ILCにおけるSUSY研究: 

ILCにおけるSUSY研究 SUSY粒子があるとすれば、LHCでまもなく見つかると考えられている ILCでは、 標準模型や、他のSUSY粒子の雑音チャネルが少ない 測定するチャネルが簡単 新しい物理に関する仮定をせずに解析できる Coloured-SUSY粒子は通常 Non-Coloured SUSY粒子より軽い ニュートラリーノやスレプトンの質量は 　ILCでO(0.1GeV)で測定できLHCでの 　SUSY粒子測定を改善できる 　

ILC物理のシナリオ: 

ILC物理のシナリオ

最後に小柴先生のお言葉: 

最後に小柴先生のお言葉 鵜呑みにする必要は どこにもない

CONCLUSION: 

CONCLUSION 高エネルギー物理学は大規模加速器実験のおか げで、近い将来（多分５年以内）には大きな成果を あげる期待がされている分野である。 早急課題はヒッグス粒子探索 ＞　さらに、新粒子が発見される可能性大！ ＞　日本のＫ２Ｋ，Ｔ２Ｋ、ＢＥＬＬＥなどはそれぞれ 　　　の分野で世界をリードしてきている！ →　次期計画ＩＬＣも目前！ 必ずしも、面白い展開ではない？しかし、いつでも次へ進む余地は残されている。 加速器実験に限らず、世界中で多数の研究者達が魅力的な実験を展開をしている！