2018 Fiscal Year Research-status Report
Trigger level analysis for measurement of Higgs couplings at LHC
| Project/Area Number |
17K05464
|
|---|
| Research Institution | The University of Tokyo |
|---|
Principal Investigator |
江成 祐二 東京大学, 素粒子物理国際研究センター, 助教 (60377968)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
|
| Keywords | 素粒子実験 / トリガー / LHC / ヒッグス / エレクトロニクス開発 / FPGA / ファームウエア |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、現時点で不可能であるとされる、チャームクォークとヒッグス粒子の湯川結合定数やヒッグス自己結合定数の測定をLHCにおいて実現するための基盤を、トリガーレベル解析により形成することにある。
当該年度の一番の成果として挙げられるのが、Higgs粒子が2つのボトムクォークに崩壊するH→bbモードの発見が５σを超え、証拠（Observation）を得るに至ったことである。このH→bbモードは、本研究の主目的であるトリガーレベル解析のターゲットの一つである、Higgs粒子の自己結合定数の測定に用いる崩壊モードである。この成果は将来に渡る実験計画の基盤を盤石なものとした、大きなマイルストーン的な結果である。
この物理に関連した面では、ヒッグス粒子に関連した物理を議論するための国際会議、Higgs Couplings 2018を11月末に東京おいて5日間の日程で行った。主な参加者は海外からHiggsの物理の研究者で、理論家と実験家を合わせて125名であった。上記の結果の議論も含め、最新結果の共有および問題点の洗い出しや改善手法に至るまで、理論と実験の両面で非常な活発な議論を交わすことができた。
トリガーレベル解析のベース技術については、ATLAS実験の液体アルゴンカロリメータのトリガー読出し用のファームウエア開発を進めている。2018年はテスト読出し回路系統を新設、5.12Gbpsを40本、10GbpsベースのUDP通信を確立し、陽子・陽子衝突Runにおいてデータ取得を行った。現在この新しいデータ取得法で出てきた問題点の整理、改善方法の検討を行っている。また得られたデータ解析も行いつつ、安定動作するファームウエアを構築している。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
昨年度の計画の中で重要な項目は、トリガーレベル解析のための膨大になる情報を如何にFPGAへの入力するか、ということであった。これには合計96本の光ファイバーを接続できるデバイスを用いて、実際にデータを入力し、その処理をFPGA上にて行うファームウエアの整備が目標であった。当初、メザニーカードの製作も行うことを考えていたが、共同研究を行っているフランスのLAPPグループが製作したATLAS実験の液体アルゴン(LAr)カロリメータのアップグレード計画用のメザニーカードを使うことにより、このテストおよび開発が遂行できる目途がつき、研究を進めた。
全部で96本の光ファイバーにて受信および送信を実現し、合計で400 Gbpsを超えるデータを処理できることを確認した。また、多変数解析（機械深層学習）の演算をFPGA上に実装するためのライブラリ作りなどを進めている。
トリガーレベル解析に使うソフトウエアに関しても新設したカロリメータの読出し回路を用いて開発を進めている。2018年末までに行われた陽子・陽子衝突ランでは、外部からの特殊な信号を元にデータ取得する手法を確立し、実際にデータを取得した。実際の物理量の演算を行い、それをヒストグラムにするという一連の作業をすべてFPGA上で行い、その結果を読み出すというトリガーレベル解析で不可欠な処理を実際に行えることを示すことができた。この結果に読出しやFPGAの制御には10 Gbpsで動作するUDPサーバーをFPGA上に組み込み、実現させている。これはどのような実験にも使える非常に汎用性の高い技術である。
前述の物理解析自体についてはH→bbモードのObservationを確立や国際会議を開催したこともあり、実りの多い年であった。
|
| Strategy for Future Research Activity |
本年度は本研究の最終年度と位置付けて計画を進めてきた。これまでの研究成果を組み合わせ、実際のトリガーレベル解析の具体的な計画を提案することが目標となる。ソフトウエアおよびファームウエア、そしてそのオペレーションについてはかなり知見が蓄積できた。これに加え、今まで使用してきたハードウエアを改良するようなカードの製作を進めていきたいと考えている。これにより、具体的な計画が提案できると考えている。実際の運用に関しても、より安定性、冗長性を向上させるためのシステムについて、実際のハードウエアを用いたテストを実行しながら検討を進め、より良いシステムの構築を目指す。
実際のヒッグス粒子の自己結合定数の感度見積もりには、系統誤差の評価方法を見直す必要がある。これには背景事象の理解は勿論のこと、信号事象の記述における理論不定性を含めて研究を進めていく必要がある。これにはLHC Higgs Cross section working groupと共同研究していくことを考えている。
最終的な感度が足りない場合の対策を練ることも本研究のテーマである。これについても、当初の研究計画の通り、今までの感度見積もり時に考慮していない改善を試していく事が大切であると考えている。ｃジェット同定への多変量解析の導入や、大統計データ解析の特徴を生かした系統誤差の削減手法の開発を進めていく。
最終的にはヒッグスの物理だけに限らず、トリガーレベル解析によって実現可能となる物理解析を提案していきたいと考えている。研究成果は国内および国際会議で発表し、より具体的なステージへ進めるように尽力していきたい。
|
| Causes of Carryover |
本年度は本格的にファームウエアの開発を進めるために、100本近い光ファイバーの接続を可能にするメザニーカードの製作が必要と考えていた。しかし、共同研究を進めているフランスのLAPP研究所が開発したハードウエアで代替え可能であることが判明し、それを使用した。これにより、集中的にファームウエアの開発およびトリガーレベル解析のデザイン自体の研究を進めることが出来た。繰り越しの予算はシステムの冗長性を向上させるためのファイバーの分岐や組み換えシステムの試作に使用する予定である。
次年度では本年度までに使用したメザニーカードの経験を元に、新しいボードを製作に使用する予定である。予算を次年度に回すことになったが、研究の進捗や最終的な到達点はより高いレベルになると考えており、これらの変更は妥当であると考えている。
|
| Remarks |
国際会議 Higgs Couplings 2018 開催時のホームページ
|
