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

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（

GeV

）

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。

LHC/ATLAS 改造総額 （MCHF~億円）

13

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. 」

LHC/ATLAS 改造総額

14

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）

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）

16

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

Experiment: Jonathan Dorfan (OIST) Eckhard Elsen (DESY) – Chair person Fabiola 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。

予備

18

Higgsの精密測定

19

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。

Higgsの精密測定 （非常にconservativeな見積）

20

• 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 2022 3000fb-1 by 203X

BSM

22

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 ? ~

H→HH

24

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 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

28

Large Hadron Collider(大型ハドロン衝突型加速器）

目的 ・質量の起源のﾋｯｸﾞｽ粒子や超対称性粒子などの新粒子を発見し、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ﾃｽﾗの超伝導双極磁石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加速器ﾄﾝﾈﾙがある。４つの実験装置の場所が黄色丸で示してある。

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 MCHF CMS 500 MCHF ALICE 115 MCHF LHCb 75 MCHF TOTEM 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 DG Chris 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）