ミューオントリガーの開発

ミューオン検出器

ATLAS 検出器は陽子陽子衝突によって生成された粒子の種類や運動量・エネルギーを高い精度で測定するためにさまざまな検出器で構成されている。その中でも、ミューオン検出器は最も外側に配置されている検出器であり、磁場によって曲げられたミューオンの曲率を測定することで運動量を判定する。ミューオン検出器は 4 種類の検出器で構成されており、日本グループは高速なトリガー判定用の Thin Gap Chamber ("TGC") 検出器の建設と保守を担当している。

TGC 検出器は円筒型の ATLAS 検出器に蓋をするように設置されており、直径約 25 m の円盤状の構造をしているため、TGC Big Wheel ("TGC BW") と呼ばれている。TGC 検出器のチャンネル数は約 32 万と非常に多く、日本グループが信号の読み出し回路の設計から開発までを担当した。

Run3 におけるミューオントリガーのオペレーション

2022 年に開始したデータ取得期間 ("Run3") ではさらに高い精度でミューオンの運動量判定を行うため、新たに高分解能・高効率であるミューオン検出器 New Small Whell (NSW) が導入された。SL は TGC BW と NSW からの情報を組み合わせてミューオンの運動量を判定するため、回路規模の向上や受け取る情報の増加に対応できるように SL を新たに設計・開発する必要があった。Run3 に向けて新たな SL ("New SL") が開発され、京都 ATLAS グループは New SL の開発に大きく貢献した。

開発した New SL は Run3 開始までに全て無事にインストールされ、背景事象の大幅な削減に成功した。トリガーレートの削減は全体で 100 kHz のうち約 8 kHz となり、ATLAS 実験におけるデータ取得効率が約2% 向上した。

高輝度 LHC に向けたミューオントリガーのアップグレード

高統計によるヒッグスの精密測定や超対称性粒子の探索を目指して、ルミノシティを大幅に向上した高輝度 LHC が 2029 年から開始予定である。ルミノシティの大幅な増加に伴い背景事象も増加するため、ミューオントリガーではエレクトロニクスを刷新する大規模なアップグレードを行う。検出器のヒット情報は全て大規模FPGA を搭載した後段回路に送信され、全てのヒット情報を用いてミューオンの横運動量の判定を行う。

京都ATLAS グループではこの後段回路の FPGA に搭載するトリガーアルゴリズムのソフトウェアにおける開発と検証、アルゴリズムのファームウェアとしての実装を進めている。