[論文レビュー] The ATLAS and CMS Plans for the LHC Luminosity Upgrade

D. Bortoletto|ArXiv.org|Sep 3, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 3被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、LHCの光度アップグレードに向けたATLASおよびCMS検出器のアップグレード計画を概説しており、段階的アップグレードの第1段階（3×10³⁴ cm⁻²s⁻¹を想定）と第2段階（SLHC、1×10³⁵ cm⁻²s⁻¹を想定）に焦点を当てている。極めて高い放射線環境と高レート条件下でも性能を維持できるように、放射線耐性を持つ検出器技術、特に新規トラッカー系、アップグレードされたカリメータ、高速ADCおよびミクロメーター・チェンバーを用いた高度なトリガー系の開発について詳述している。

ABSTRACT

In January 2007 the CERN director general announced the plan for the staged upgrade of the LHC luminosity. The plan foresees a phase 1 upgrade reaching a peak luminosity of $3 imes 10^{34}$ cm$^{-2}$s$^{-1}$ followed by phase reaching up to $ 10^{35}$ cm$^{-2}$s$^{-1}$. We discuss the physics potential and the experimental challenges of an upgraded LHC running. The detector R&D needed to operate ATLAS and CMS in a very high radiation environment and the expected detector performance are also discussed.

研究の動機と目的

• LHCの物理学的ポ텐シャルを最大限に活用するための光度向上の必要性に応えること。特にヒッグスボソンの発見および標準模型を超える新しい物理学の探求を目的とする。
• 第2段階（SLHC）の光度1×10³⁵ cm⁻²s⁻¹に達するにあたり、予想される高放射線および高粒子フラックスによって生じる実験的課題を克服すること。
• 包括的な研究開発とハードウェアのアップグレードを通じて、極めて厳しい放射線環境下でもATLASおよびCMS検出器が物理的性能を維持または向上させること。
• 非常に高い光度下での運用に適した新技術の開発と検証、例えば高速ADC、ミクロメーター・チェンバー、アップグレードされたトラッカー系の開発。
• 照射実験およびシミュレーションによる放射線損傷とバックグラウンドレートの評価を通じて、長期的な検出器設計および研究開発を支援すること。

提案手法

• 段階的光度アップグレードを実施：第1段階（3×10³⁴ cm⁻²s⁻¹）では、Linac 4の置き換えとNb-Ti超伝導三重子を用いたβ*を0.25 mに低減することで実現。
• 第2段階（SLHC、1×10³⁵ cm⁻²s⁻¹）では、プロトン入射束を増加・注入エネルギーを向上させるために、LPSPLおよびPS2を含む新規インジェクタを設計。
• 第2段階のシャットダウン期にATLASの全トラッカー系を交換するが、第1段階でb層の早期交換を計画。
• 低消費電力ADC（≤0.4 W/ADC）と光ファイバー接続を用いた高速フロントエンドデジタイゼーションを導入し、消費電力を低減するとともに、検出器外でのデータ処理パイプラインを可能にする。
• ラジエータ読み出しにSiGe Bi-CMOSを、高レート・高精度のミューオン追跡およびトリガーにミクロメーター・チェンバーを含む、新技術の評価。
• Tapiro原子炉を用いたMDTおよびRPCチェンバーの照射試験により、SLHCの中性子フラックス（約40年分のデータに相当）下での性能を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ATLASおよびCMSがSLHCの光度1×10³⁵ cm⁻²s⁻¹で信頼性高く運用できるために必要な検出器のアップグレードは何か？
• RQ2 増加する放射線および粒子バックグラウンドは、ミューオンスプライセーターおよびトラッキング系といった主要な検出器部品にどのような影響を及えるか？
• RQ3 MDT、RPC、CSCなどの現在の技術の性能限界は、SLHCの放射線条件下でどこまでなのか？また、遮蔽やアップグレードによってその寿命を延長できるか？
• RQ4 高速で低消費電力のADCと光ファイバー接続は、高レート環境下での効率的で放射線耐性のあるフロントエンドデジタイゼーションを可能にするか？
• RQ5 ミクロメーター・チェンバーおよびSiGe Bi-CMOS読み出しといった新技術は、高光度下でのトリガーおよび追跡性能を維持するために果たす役割は何か？

主な発見

• 照射試験で、SLHCの約40年分のデータに相当するフラックスにさらされた後も、MDTチェンバーに顕著な性能劣化は観察されず、想定される条件下での耐性が確認された。
• バックグラウンドレベルがシミュレーションと一致し、遮蔽でフラックスを2倍に低減できる場合、RPCはSLHCで運用可能と予想されるが、初年度のデータが検証の鍵を握る。
• ビーム加熱による性能劣化が懸念される場合、ATLASのフォワードカリメータには既存のカリメータの前に新しいウォームカリメータを設置する必要があるが、予測が妥当であれば、部分的なチェンバー交換で十分である可能性がある。
• ミクロメーター・チェンバーは、高レート対応（数kHz/cm²）、ナノ秒未満の時間分解能、100µm未満の空間分解能を備えるため、将来のフォワードミューオントリガーの有力候補である。
• 低消費電力ADC（≤0.4 W/ADC）と光ファイバー接続を組み合わせることで、検出器外でのデジタイゼーションが可能となり、消費電力を低減するとともに、フロントエンド電子回路の簡素化が実現できる。
• 第1段階のアップグレード（Linac 4およびβ*低減）により、ピーク光度が3×10³⁴ cm⁻²s⁻¹にまで倍増すると予想され、第2段階では新規インジェクタおよびマシンのアップグレードにより1×10³⁵ cm⁻²s⁻¹を達成する。