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ガス検出器を用いたリアルタイムミューオン検出による素粒子現象の探求

計画研究

研究領域素粒子現象から巨大構造物までを透視するマルチスケールミューオンイメージングの創成
研究課題/領域番号 21H05085
研究種目

学術変革領域研究(B)

配分区分補助金
審査区分 学術変革領域研究区分(Ⅱ)
研究機関名古屋大学

研究代表者

堀井 泰之  名古屋大学, 素粒子宇宙起源研究所, 准教授 (80616839)

研究分担者 齋藤 智之  東京大学, 素粒子物理国際研究センター, 助教 (50749629)
研究期間 (年度) 2021-08-23 – 2024-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
39,000千円 (直接経費: 30,000千円、間接経費: 9,000千円)
2023年度: 12,610千円 (直接経費: 9,700千円、間接経費: 2,910千円)
2022年度: 13,130千円 (直接経費: 10,100千円、間接経費: 3,030千円)
2021年度: 13,260千円 (直接経費: 10,200千円、間接経費: 3,060千円)
キーワード素粒子 / ミューオン / ガス検出器 / LHC / アトラス実験
研究開始時の研究の概要

高い透過力を持つミューオンを用いてアトメートルからキロメートルの対象を可視化するマルチスケールミューオンイメージングの創成を目指す。ガス検出器によるリアルタイムミューオン検出の技術を構築し、LHC加速器における多重陽子陽子衝突を可視化することで、新しい素粒子現象を探索する。また、構築したミューオン検出の技術を発展させ、次世代の高輝度実験に向けた高精度ミューオン検出の技術を開発する。さらに、加速器実験で培ったミューオン検出技術を巨大構造物のリアルタイム透視に活用するためのシステム設計・開発を行う。

研究実績の概要

25ナノ秒おきに60発生する陽子陽子衝突中のミューオンをリアルタイム検出するシステムを運用し、重心系エネルギー13.6 TeVのデータを収集した。電力節約制限から運転時間が短縮される中でデータ量を最大化する努力を、加速器、実験双方で精力的に行っている。加速器におけるビーム強度の増強により、ATLAS実験遂行の要である初段トリガーの出力が帯域幅の限界100 kHzに到達した。そこで2022年度から準備を進めてきた内層ミューオン検出器やカロリメータを統合した新しいミューオン検出ロジックを稼働させた。ミューオン検出性能の向上により、8 kHzのトリガーレート削減を達成し、ATLAS実験のデータ取得効率を向上させた。また、将来、25ナノ秒おきに200発生する陽子陽子衝突中のミューオンをリアルタイム検出するシステムを構築するために、XCVU13P FPGAを搭載した電子基板の第二試作機を設計した。

これまでに収集したデータを用いて、トップクォークの質量測定に向けた手法構築を行った。トップクォークの崩壊で生じるジェイ・プサイ粒子に起因するミューオンの運動量を用いることで、ジェットのエネルギー不定性に由来する系統誤差を強く抑制できることを明らかにした。また、様々な視点から超対称性粒子の解析を進めた。暗黒物質候補となる超対称性粒子探索のために、低運動量の粒子を検出する専用アルゴリズムの構築を進めた。ターゲットとする超対称性粒子の信号の特徴を深層学習で効率的に抽出し、従来は莫大な背景事象で埋もれて検出が困難であった微弱な信号の検出可能性を示すことができた。計画研究A04との連携研究であるミューオン異常磁気能率に関する研究にも着手した。ミューオン異常磁気能率に寄与しうる超対称性粒子とその質量階層を精査し、従来検証がなされていなかったシナリオを見つけ、その研究手法の開発を行った。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

2022年から導入したミューオン検出システムにおいて、内層ミューオン検出器やカロリメータを統合した新しいミューオン検出ロジックの稼働に成功した。これは、研究を戦略的かつ計画的に進め、徹底的な性能評価を通じて改良を重ねた成果である。また、XCVU13P FPGAを搭載した次世代型ミューオン検出基板の第二試作機の設計を完了させた。これらは当初の計画通りである。

トップクォーク質量測定において、ジェイ・プサイ粒子に起因するミューオンを用いることで、ジェットエネルギー不定性に由来する系統誤差を大幅に抑制することができた。さらに、暗黒物質粒子の探索のために、従来検出できていなかった低い運動量の粒子の検出アルゴリズムを構築できた。この新しい検出アルゴリズムを用い、従来未探索であった粒子質量領域の探索を行う準備が整った。ミューオン異常磁気能率に寄与しうる超対称性粒子の探索手法を構築し検出可能性を示すこともできた。順調に研究が進んでいる。

今後の研究の推進方策

新しく稼働させたミューオン検出ロジックの最大性能達成を目指す。2023年度は十分良い性能が出ることが確認できたミューオン検出器領域の70%ほどで稼働させた。今後は全領域での稼働を狙い導入したミューオン検出システムを完成させる。さらにミューオン検出性能を向上させ蓄積データ量の最大化を目指す。また、将来、25ナノ秒おきに200発生する陽子陽子衝突中のミューオンをリアルタイム検出するシステムを構築するために、XCVU13P FPGAを搭載した電子基板の第二試作機を評価し、基板の最終設計を完了させる。

前年度までに構築したトップクォーク質量測定の手法を実データに対して利用し、ジェットのエネルギー不定性が小さな質量測定の結果を得る。また、開発した低運動量の粒子を検出するアルゴリズムを用いて暗黒物質候補の探索を行う。暗黒物質粒子と付随して放出される数GeVの粒子を識別することで、暗黒物質生成事象の検出を目指す。さらに、ミューオン異常磁気能率に関する超対称性粒子の探索を進めミューオン異常磁気能率の理解を深める。

報告書

(2件)
  • 2022 実績報告書
  • 2021 実績報告書
  • 研究成果

    (43件)

すべて 2023 2022 2021 その他

すべて 国際共同研究 (12件) 雑誌論文 (2件) (うち国際共著 1件、 査読あり 2件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (28件) (うち国際学会 6件、 招待講演 5件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] CERN(スイス)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [国際共同研究] INFN Roma/Sapienza Universita di Roma(イタリア)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [国際共同研究] Weizmann Institute of Science(イスラエル)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [国際共同研究] University of Michigan/LBNL/BNL(米国)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [国際共同研究] University of Oxford/University of Liverpool/University of Birmingham(英国)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [国際共同研究]

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [国際共同研究] CERN(スイス)

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [国際共同研究] INFN Roma/Sapienza Universita di Roma(イタリア)

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [国際共同研究] Weizmann Institute of Science(イスラエル)

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [国際共同研究] University of Michigan/LBNL/BNL(米国)

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [国際共同研究] University of Oxford/University of Liverpool/University of Birmingham(英国)

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [国際共同研究]

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [雑誌論文] A detailed map of Higgs boson interactions by the ATLAS experiment ten years after the discovery2022

    • 著者名/発表者名
      ATLAS Collaboration
    • 雑誌名

      Nature

      巻: 607 号: 7917 ページ: 52-59

    • DOI

      10.1038/s41586-022-04893-w

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Fast muon tracking with machine learning implemented in FPGA2022

    • 著者名/発表者名
      C. Sun, T. Nakajima, Y. Mitsumori, Y. Horii, and M. Tomoto
    • 雑誌名

      Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A

      巻: 1045 ページ: 167546-167546

    • DOI

      10.1016/j.nima.2022.167546

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Status and prospects of the ATLAS upgrades for HL-LHC2023

    • 著者名/発表者名
      Y. Horii
    • 学会等名
      KMI 2023
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Experiment Summary: Top+SM2023

    • 著者名/発表者名
      Y. Horii
    • 学会等名
      Workshop for Tera-Scale Physics and Beyond
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Experiment: Status of Run3 operation and HL-LHC upgrade2023

    • 著者名/発表者名
      T. Saito
    • 学会等名
      Workshop for Tera-Scale Physics and Beyond
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 高輝度LHC-ATLAS実験におけるミューオン検出器の新型回路に実装するフラッシュメモリと光ファイバの放射線耐性試験2023

    • 著者名/発表者名
      大隅悠矢, 堀井泰之, 他
    • 学会等名
      日本物理学会2023年春季大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] LHC-ATLAS実験におけるJ/ψ中間子を使ったトップクォーク質量測定の系統誤差評価2023

    • 著者名/発表者名
      麻田晴香, 堀井泰之, 他
    • 学会等名
      日本物理学会2023年春季大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 高輝度LHC-ATLAS実験における新しい内層Triplet TGC検出器のためのトリガー回路の構築と検証2023

    • 著者名/発表者名
      和田有咲, 堀井泰之, 他
    • 学会等名
      日本物理学会2023年春季大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] LHC-ATLAS実験におけるRun 3初期データを使ったミューオントリガー用検出器の位置補正の研究2023

    • 著者名/発表者名
      菊池美雪, 堀井泰之, 他
    • 学会等名
      日本物理学会2023年春季大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 高輝度LHC-ATLAS実験におけるミューオン検出器の前段回路初期量産機の動作検証2023

    • 著者名/発表者名
      橋本大輔, 堀井泰之, 他
    • 学会等名
      日本物理学会2023年春季大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] LHC-ATLAS実験における超低運動量電子を用いた縮退ヒグシーノ探索2023

    • 著者名/発表者名
      杉崎海斗, 齋藤智之, 他
    • 学会等名
      日本物理学会第78回年次大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Measurements of the Higgs boson fiducial and differential cross sections at the ATLAS experiment2022

    • 著者名/発表者名
      Y. Horii
    • 学会等名
      ICNFP 2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Sector Logic Development for the ATLAS Level-0 Muon Trigger at HL-LHC2022

    • 著者名/発表者名
      Y. Mitsumori
    • 学会等名
      TWEPP 2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] ATLAS TGC回路の放射線耐性試験2022

    • 著者名/発表者名
      堀井泰之
    • 学会等名
      耐放射線エレキ研究会2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 機械学習を用いた高速ミューオン飛跡再構成2022

    • 著者名/発表者名
      堀井泰之
    • 学会等名
      第1回ML@HEPワークショップ
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 高輝度LHC-ATLAS実験におけるミューオン検出器の回路量産に向けた放射線耐性試験2022

    • 著者名/発表者名
      大隅悠矢, 堀井泰之, 他
    • 学会等名
      日本物理学会2022年秋季大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 高輝度LHC-ATLAS実験に向けた初段ミューオントリガーボードの電源・温度モニターの開発と動作検証2022

    • 著者名/発表者名
      橋爪一将, 堀井泰之, 他
    • 学会等名
      日本物理学会2022年秋季大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 高輝度LHC-ATLAS実験の初段ミューオントリガー開発:飛跡検出回路の開発・性能評価2022

    • 著者名/発表者名
      鍋山友希, 堀井泰之, 他
    • 学会等名
      日本物理学会2022年秋季大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] LHC-ATLAS実験Run 3における初段ミューオントリガーの最終コミッショニングと安定運転の実現2022

    • 著者名/発表者名
      杉崎海斗, 齋藤智之, 他
    • 学会等名
      日本物理学会2022年秋季大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] LHC-ATLAS実験試運転・Run3初期物理データを⽤いた初段ミューオントリガーの性能評価研究2022

    • 著者名/発表者名
      林雄一郎, 齋藤智之, 他
    • 学会等名
      日本物理学会2022年秋季大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] LHC-ATLAS実験Run 3における初段ミューオントリガーの運動量判定ロジックの新しい最適化手法の確立2022

    • 著者名/発表者名
      中村竜也, 齋藤智之, 他
    • 学会等名
      日本物理学会2022年秋季大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 高輝度LHC-ATLAS実験に向けたTGC検出器エレクトロニクスの自立型制御機構の開発2022

    • 著者名/発表者名
      青木匠, 堀井泰之, 他
    • 学会等名
      日本物理学会第77回年次大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 高輝度LHC-ATLAS実験に向けたミューオン検出器の実機回路の量産に向けた素子の放射線耐性試験2022

    • 著者名/発表者名
      大隅悠矢, 堀井泰之, 他
    • 学会等名
      日本物理学会第77回年次大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] LHC-ATLAS実験における質量が縮退したヒグシーノの探索に向けた超低横運動量電子の識別手法の開発2022

    • 著者名/発表者名
      杉崎海斗, 齋藤智之, 他
    • 学会等名
      日本物理学会第77回年次大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 高輝度LHC-ATLAS実験の初段ミューオントリガーに用いる飛跡選別回路の開発2022

    • 著者名/発表者名
      鍋山友希, 堀井泰之, 他
    • 学会等名
      日本物理学会第77回年次大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 高輝度LHC-ATLAS実験に向けた初段ミューオントリガーボードの電源系統の開発2022

    • 著者名/発表者名
      橋爪一将, 堀井泰之, 他
    • 学会等名
      日本物理学会第77回年次大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 高輝度LHC-ATLAS実験のミュー粒子トリガーに用いる飛跡再構成回路の性能評価2022

    • 著者名/発表者名
      三森由暉, 堀井泰之, 他
    • 学会等名
      日本物理学会第77回年次大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] リレーショナル・データベースの導入による大規模トリガーシステム情報の一元管理とその応用── システム開発・試験・運用2022

    • 著者名/発表者名
      山下恵理香, 堀井泰之, 他
    • 学会等名
      日本物理学会第77回年次大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] LHC-ATLAS実験 Run-3に向けた複数のミューオン検出器情報を統合するトリガーロジックの開発と性能評価2022

    • 著者名/発表者名
      吉村宣倖, 齋藤智之, 他
    • 学会等名
      日本物理学会第77回年次大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Higgs boson measurements in couplings to quarks and leptons with the ATLAS experiment2021

    • 著者名/発表者名
      Y. Horii
    • 学会等名
      NUCLEUS 2021
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [備考] 素粒子現象から巨大構造物までを透視するマルチスケールミューオンイメージングの創成

    • URL

      https://msmi.jp/

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書 2021 実績報告書

URL: 

公開日: 2021-10-22   更新日: 2024-12-25  

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