ATLAS検出器

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ATLAS検出器(A Toroidal LHC ApparatuS, "トロイド型LHC用実験装置") はCERNLHC加速器の実験装置の一つであり, スイス・ジュネーブの郊外にあるCERNのメインキャンパス付近の地下約100mに設置されている。

ATLAS検出器の断面模式図


概要[編集]

ATLAS検出器は、LHCによって7TeVまで加速された二本の陽子ビームを検出器の中心で衝突させ、その衝突によって発生する粒子の測定を目的とする、高さ22m、全長44m、重量7000tの大型汎用粒子検出器である。ATLAS実験は世界から3000人以上の物理学者が参加する大型国際協力プロジェクトである。[1]

ATLAS検出器の目的[編集]

  • 標準模型粒子たちの再発見とその精密測定。
  • 標準模型における質量発生機構 (ヒッグス機構) から存在が予言されるヒッグス粒子の探索 (2012年にCMSとともに発見)。またその精密測定を通じたヒッグス機構の検証。
  • 「新物理」(標準模型の予言から外れた現象) とそれに付随する新粒子の直接探索。代表的なものとしては
  1. 超対称性粒子探索
  2. 非標準模型ヒッグス粒子探索
  3. フレーバー対称性の破れの探索
  4. ダークマター探索 (mediatorなどややnon-minimalな仮定は必要)
  5. 余剰次元 (Kalza-Klein理論など) の探索. それに伴うマイクロブラックホールの探索。(余剰次元の存在によって真のプランクスケールがLHCのエネルギー前後にあった場合に生成される可能性がある量子的なブラックホール。多数の標準模型粒子に直ちに崩壊して蒸発する。)

などが挙げられる。

検出器の仕組み[編集]

粒子検出器[編集]

ATLAS検出器は円筒形であり, ビーム衝突点を取り囲むように複数の異なる目的を持った検出器が, 内側から以下の順番で配置されている。

  • 内部飛跡検出器: ビームの衝突点に一番近い検出器群で, 荷電粒子が検出器を通過した飛跡を記録する。最内層はシリコン半導体でできたピクセルやストリップからなる部分 ("Pixel Detector"/" Semiconductor Tracker (SCT)") で, バイアス電圧をかけた半導体に荷電粒子が通過した際に生じる電子なだれの信号から粒子の通過位置を精密に測定する. 外層はXe/Arを含んだチューブによって敷き詰められたドリフトチェンバーで ("Transition Radiation Tracker (TRT)") 通過粒子と電離ガスとの反応で生じる電子なだれの信号として読み出し、チューブの位置と時間情報から粒子の飛跡を再構成する。またチューブの境界で発生する遷移放射 (TR) も用いることによって粒子種の同定も行なっている。
  • 超伝導ソレノイド磁石: 飛跡検出器内に2Tの磁場を供給している。中を飛ぶ荷電粒子を曲げることで、その曲率から粒子運動量が測定される。
  • 電磁カロリーメーター: 液体アルゴンと銅のサンドイッチカロリメーター。入射してくる光子電子・荷電ハドロンは電磁シャワーを発生させてエネルギーを落とす。そのシャワーのエネルギーから元々の粒子のエネルギーを測定する。
  • ハドロンカロリ-メーター: 鉄とプラスチックシンチレーターのサンドイッチカロリメーター。電磁カロリメーターを貫通してくるハドロンはハドロンシャワーここで発生させる。その落としたエネルギーから元々の粒子のエネルギーを測定する。
  • ミューオン検出器: ミューオンは上記のカロリーメーターを全て貫通するため一番外側に検出器を置くことで検出できる。4種類のガスチェンバー (CSC, MDT, RPC, TGC) からなり、電離ガスからの電子なだれを信号としてミューオンの通過位置を測定している。またトロイダル磁石も間に挟まっていて4T前後の磁場をミューオン検出器内に供給している。これによってミューオン検出器単体での運動量測定が可能となっており、読み出しに時間のかかる内部飛跡検出器に頼らずに高速トリガーを発行できるようになっている。

ニュートリノや電気的中性の新物理粒子はほぼ相互作用をせずに検出器の外に抜けていくが、これらは横方向の運動量保存から間接的に存在・運動量を知ることができる(検出器で見えた粒子と未検出粒子の運動量の横方向の総和は等しいため。陽子の構成要素同士が衝突するためビーム軸方向では運動量保存が成立しないため横方向のみが有効な情報となる。)

またこれら以外にも検出器の上流・下流にルミノシティーを測定するための検出器が2種類 (LUCID, ALFA) 設置されている。

飛跡検出器はLHC Run3終了後 (2022年予定) に, LHC高輝度運転に向けてより放射線耐性の高いシリコン検出器への総取り替えが予定されている。


トリガー[編集]

25nsおきに (40MHz) ~1010個の陽子の束が衝突点で衝突する一方で, データの読み出しの帯域幅からくる制限はおよそ1kHzであり (1衝突イベントあたり1MB) はるかにシビアである。これはHELATevatronでの実験と同じくハドロンコライダーの宿命であり, このためある程度興味のある衝突事象だけを高速で選別して読み出す高度なトリガーシステムが実装されている。

基本的にはハードウェアベースの初段 ("Level-1", L1) とソフトウェアベースの後段 ("High-level Trigger", HLT)で構成されている。

L1では粒子の信号を検出したのち, 検出器に搭載したFPGAで局所的な情報だけを用いて高速判定を行うことで100kHzほどにレートを抑えてる。 L1では時間分解能に優れた検出器の情報が用いられ、カロリメーターとミューオン検出器によってトリガーが発行される。

HLTでは読み出された全検出器情報をより時間をかけてより精度よく粒子を再構成・測定してさらに選別を行う。HLTに使用する計算機群は検出器付近に設置されており、2018年以降の運転では40000PUほどの商用計算機で事象あたり1秒ほどの計算時間でデータを捌いている。


データ解析[編集]

トリガーを通過した事象はCERNのコンピュータークラスタ ("Tier-0") にてさらに高度な粒子再構成アルゴリズムを通じて処理された後, LHCのグリッド・コンピューティングの枠組み[2]を通して参加国の地域解析センターに分散され, 物理解析に使用されている。データ量は年間1PBを超え、古いデータはハードディスクからテープに移植・保管される。


主要な成果[編集]

CMSでも精度や細部において違いはあるものの概ね同じ結果が得られており、結果の再現性が確認されている。


標準模型の精密測定・検証[3][4]

W/Z生成事象、トップクォーク対生成事象などの主要なプロセスから、複数ボソン生成事象などのレアプロセスまで幅広いチャンネルの生成断面積を測定し理論計算との比較を行なっている。また主要過程においてはスペクトラム測定 (運動量、ジェット数など) も幅広く行なっており、TeVスケールの空前の超高エネルギーに到るまで標準模型が非常に正しく現象を記述できていることを確認している。またデータを理論家にフィードバックすることによって計算の改善・標準模型の理論不定性の縮小にも貢献している。


ヒッグス粒子の発見と測定

1950年代のヒッグス機構の提唱や、その後のゲージ理論繰り込み可能性の研究の発展により存在が確実視されて以降も、やや運の悪い質量領域にいたためにLEPTevatronの探索をギリギリでかいくぐってきた[5]ヒッグス粒子をCMSとともに発見した。2012年7月の段階で候補となる新粒子の発見が発表され[6][7][8]、その後質量・スピン・パリティーなどの量子数や崩壊分岐比の測定結果から標準模型ヒッグス粒子であることがCMSとの結果と合わせて2013年3月に結論づけられた。[9][10]

発見当初は光子対への崩壊過程とW/Zボソン対へ崩壊過程のみ確認されていたが、2014年にタウレプトン[11]、2018年にボトムクォーク対への崩壊も発見され[12]、また同2018年にttH生成過程も発見されトップクォークとの結合も確認されている。[13]

一方でヒッグスの性質の測定も引き続き行われており、特に崩壊分岐比と微分断面積測定が精力的に行われている。[14]

今の所全ての測定結果は標準模型の予言と無矛盾である。


新物理への制限[15][16]

TeVスケールに新物理を予言するモデルは多数ある中、LHCの陽子陽子衝突はそれらを直接プローブする数少ない (ほとんどの場合唯一の) 実験であり、ATLASでも幅広い新物理・新粒子をカバーした探索プログラムを持っている。

幸か不幸か現在のところ標準模型の予測から大幅に逸脱するデータのパターンは観測されておらず、標準模型の驚異的な正しさを確認するに止まっているが、同時に代表的な新物理模型・理論に強力な制限をつけている。例えば超対称性理論の強い動機の一つである階層性問題解決のための軽いスカラートップは典型的なシナリオにおいて1TeVまで棄却されている。[17]また同様の理由で支持される軽いヒッグシーノもRun2の2015-16年のデータを用いた結果でLEP以来となる制限を更新した。[18]


重イオン衝突における光子散乱過程の確認[19][20][21][22]


その他のLHCの実験[編集]

  • ALICE検出器:重イオン衝突に特化した検出器。トリガーをかけずに全データを読み出している。
  • CMS検出器:ATLASと対をなすLHCの汎用検出器・エネルギーフロンティア実験。お互いの結果を相補・追証する役割を担っている。
  • LHCb検出器:LHCのBファクトリー検出器・実験。ビーム前方のみに設置されている。
  • TOTEM:全弾性解析断面積計測装置。陽子ビームの高精度測定を行う。CMSのまわりのビームパイプに設置されている。
  • LHCf:陽子陽子衝突で発生する超前方中性子の測定実験。宇宙線のシャワーモデルの検証などを目的としている。ATLASの衝突点から150m前方, 2本のビームパイプの間に設置されている。

脚注[編集]

  1. ^ http://home.cern/about/experiments/atlas
  2. ^ Welcome to the Worldwide LHC Computing Grid | WLCG”. wlcg.web.cern.ch. 2019年4月21日閲覧。
  3. ^ Standard Model summary plots Spring 2019”. atlas.web.cern.ch. 2019年4月21日閲覧。
  4. ^ Top physics summary plots for TopLHCWG meeting”. atlas.web.cern.ch. 2019年4月21日閲覧。
  5. ^ とはいえLEPの電弱精密測定やTevatronで発見されたトップクォークの質量・直接探索によって110-130GeV/c^2あたりにいることが強く示唆されるに至った。
  6. ^ Higgs within reach” (英語). CERN. 2019年4月21日閲覧。
  7. ^ 4th July 2012, Press Conference | CERN”. home.cern. 2019年4月21日閲覧。
  8. ^ ヒッグスらしき新粒子を LHC の実験で発見” (日本語). 日経サイエンス一般読者向けの月刊科学雑誌「日経サイエンス」のサイトです。. 2019年4月21日閲覧。
  9. ^ New results indicate that new particle is a Higgs boson” (英語). CERN. 2019年4月21日閲覧。
  10. ^ Company, The Asahi Shimbun. “ヒッグス粒子発見、ほぼ確実 欧州の研究機関が発表” (日本語). 朝日新聞デジタル. 2019年4月21日閲覧。
  11. ^ Collaboration, Atlas (2015-01-20) (英語). Evidence for the Higgs-boson Yukawa coupling to tau leptons with the ATLAS detector. doi:10.1007/JHEP04(2015)117. https://arxiv.org/abs/1501.04943v3. 
  12. ^ ATLAS observes elusive Higgs boson decay to a pair of bottom quarks”. ATLAS Experiment at CERN (2018年8月28日). 2019年4月21日閲覧。
  13. ^ ATLAS observes direct interaction of Higgs boson with top quark”. ATLAS Experiment at CERN (2018年6月4日). 2019年4月21日閲覧。
  14. ^ Summary plots from the ATLAS Higgs physics group”. atlas.web.cern.ch. 2019年4月21日閲覧。
  15. ^ SupersymmetryPublicResults < AtlasPublic < TWiki”. twiki.cern.ch. 2019年4月21日閲覧。
  16. ^ Summary plots from the ATLAS Exotic physics group”. atlas.web.cern.ch. 2019年4月21日閲覧。
  17. ^ Collaboration, Atlas (2017-11-30) (英語). Search for top-squark pair production in final states with one lepton, jets, and missing transverse momentum using 36 fb$^{-1}$ of $\sqrt{s}=13$ TeV $pp$ collision data with the ATLAS detector. doi:10.1007/JHEP06(2018)108. https://arxiv.org/abs/1711.11520v2. 
  18. ^ Collaboration, Atlas (2017-12-21) (英語). Search for electroweak production of supersymmetric states in scenarios with compressed mass spectra at $\sqrt{s}=13$ TeV with the ATLAS detector. doi:10.1103/PhysRevD.97.052010. https://arxiv.org/abs/1712.08119v2. 
  19. ^ ATLAS observes light scattering off light” (英語). CERN. 2019年4月21日閲覧。
  20. ^ CERN、光子・光子散乱をLHCアトラス検出器で観測 - 80年前のQED予言を実証” (日本語). マイナビニュース (2017年8月17日). 2019年4月21日閲覧。
  21. ^ Atlas Collaboration (2017-09). “Evidence for light-by-light scattering in heavy-ion collisions with the ATLAS detector at the LHC” (英語). Nature Physics 13 (9): 852–858. doi:10.1038/nphys4208. ISSN 1745-2473. https://www.nature.com/nphys/journal/v13/n9/full/nphys4208.html. 
  22. ^ Summary plots from the ATLAS Heavy Ion physics group”. atlas.web.cern.ch. 2019年4月21日閲覧。

関連項目[編集]

外部リンク[編集]

日本語

英語

参考文献[編集]

神の素粒子 宇宙創成の謎に迫る究極の加速器(ポール・ハルパーン=著 小林冨雄=日本語版監修 武田正紀=訳)発行:日経ナショナル ジオグラフィック社