将来の粒子衝突に向けたCMS検出器のアップグレード

CMS（コンパクトミューオンソレノイド）実験は大型ハドロン衝突型加速器（LHC）プログラムの一部だよ。Run 3では高エネルギーの粒子衝突を記録し始めたんだ。このフェーズの前に、放射線による劣化に対抗したり、能力を向上させたりするために、いろいろな検出器システムが改善されたんだ。さらに、粒子の相互作用の詳細を捉えるために新しいGEM（ガス電子増幅器）検出器の層も追加されたよ。

ハイルミノシティLHCは同時に発生する衝突の数を増やすから、CMS検出器ももっとアップグレードが必要になるんだ。これには完全に新しい追跡システムと、より進化したエンドキャップカロリメーターが含まれるよ。現在の多くの検出器の電子機器も交換されて、未来の高い衝突数に対応できるようにするんだ。Run 3のために行ったアップグレードと、Phase-2のための計画された改善点について、この文章ではレビューするよ。

#LHCとCMSの背景

LHCの前のフェーズ、Run 2は2018年の後半に終わったんだ。このフェーズではデータ収集と分析がかなり行われたよ。その後、必要なメンテナンスとアップグレードのためにLong Shutdown 2（LS2）っていう長い休止期間があったんだ。その間にCMS検出器はいろいろな変更を受けて、Run 3に備えたんだ。

Run 3は2022年の初めに始まったよ。LHCは新しい高エネルギーレベルで粒子衝突を開始し、2025年までに膨大なデータを集める予定なんだ。この期間中、重イオンのような異なる粒子タイプでの実験も行われるよ。

Run 3が終了したら、3年間のLong Shutdown 3（LS3）が行われるんだ。これで加速器と実験が新しい運用条件に向けて準備されるよ。ハイルミノシティLHCは2029年に始まると予想されていて、CMSは以前よりさらに多くのデータを集められるようになるよ。

#Run 3のためのCMSの現在のアップグレード

Run 3中にCMS検出器が効果的に動作し続けるために、いくつかのアップグレードが行われたよ。重要なシステムの1つはビーム放射線計測器とルミノシティ（BRIL）っていうやつ。これはビームを監視してルミノシティを測定するのを助けるんだ。Run 3では、特にルミノシティ測定システムに焦点を当てた改善が行われたよ。

新しいピクセルルミノシティテレスコープが追加されて、8つのシリコンピクセル検出器を装備してるんだ。また、ビームの状態を監視するための高速粒子カウンターも設置されて、古い機器に比べて安定性と応答性が向上してるよ。

ピクセルトラッキングシステムは前のフェーズでアップグレードされて、データ収集の効率が良くなったんだ。LS2の間に放射線によるダメージのために内層が交換されて、Run 2の問題が解消されたよ。

入ってくる粒子のエネルギーを測定するハドロニックカロリメーター（HCAL）は、センサーと電子機器にアップグレードが行われたんだ。従来の光センサーはより効率的なシリコンフォトマルチプライヤーに置き換えられたよ。デザインは、粒子の深さを測定するのが改善されてるんだ。

ミューオン検出器システムでは、高レベルの粒子を感知するチャンバーに大きな変更があったよ。新しい電子機器が導入されて、データのより高い速度に対処して、オーバーフローによるイベントのロスを減らすんだ。

もう一つ重要な追加点は、新しいGEM検出器層で、難しい条件でも粒子を正確に特定するのを助けるんだ。これはハイルミノシティLHCフェーズに向けて重要で、他の粒子からのバックグラウンドノイズが検出を難しくすることがあるからね。

#Run 3でのデータ処理

最も重要なデータを選ぶL1トリガーは2016年にアップグレードされて、Run 3でも使われてるよ。L1-scoutingっていう新しいシステムは、データをより高い速度で評価できるようにして、これまで気づかなかったかもしれない珍しいプロセスを探すのを助けるんだ。

データ収集システムは衝突中に集められる大量の情報を管理するように設計されてるんだ。処理中の効率を確保するために、更新された技術でセットアップが改善されたよ。

新しいハイレベルトリガー（HLT）システムは、強力なコンピューターとグラフィックス処理ユニット（GPU）を装備してて、データを素早く分析して再構成作業をサポートするんだ。システムへのGPU統合により、処理速度が速くなって、実験中に生成される大量のデータを処理することが可能になったんだ。

#Run 3での運用

2022年のコミッショニングフェーズの後、2022年7月5日にフルオペレーションが開始されたよ。運転は11月の終わりまで続いたんだ。この期間中に大量の衝突データが集められて、そのうちのかなりの部分が分析に適していると確認されたよ。

Run 3中、LHCは衝突を調整して安定した流れを維持したんだ。このアプローチで、データ収集が複雑にならないように過剰な相互作用を防いだよ。データのトリガーは効果的に機能していて、CMSがデータを効率的に保存・分析できるようになってたんだ。

#Phase-2アップグレードの未来計画

Phase-2に向けて、CMS検出器は衝突条件の増加に対応するために大規模なアップグレードを受ける予定だよ。主な変更は、多くの現在のシステムを交換・強化することに焦点を当てて、予想される粒子相互作用の増加に対応するんだ。

内外のトラッカーシステムは完全にオーバーホールされる予定で、データ収集のためのチャンネル数が大幅に増えるんだ。これで粒子の追跡がより細かくできるようになって、情報の集め方が改善されるよ。

新しいタイミング検出器も追加されて、測定の精度が向上し、重なり合う衝突を区別するのに役立つんだ。これで特定の粒子タイプを識別する能力も向上して、見つけるのが難しい粒子も捕らえられるようになるよ。

既存のエンドキャップカロリメーターは、新しい高分解能カロリメーターに交換される予定だよ。このアップグレードで、エネルギーレベルを測定するためのチャンネル数が大幅に増え、粒子の形や詳細をより明確に特定できるようになるんだ。新しいセットアップにはタイミングとエネルギー測定技術も改善されるよ。

ミューオン検出器も引き続き改善されて、新しい電子機器や追加の層が加わって、粒子データをより良く捉えられるようにするんだ。これでPhase-2で期待される過酷な環境でも検出器が効果的に動作するようになるよ。

BRILシステムもPhase-2で拡張されて、ルミノシティ測定を強化するためにもっとデバイスが導入されるよ。アップグレードされたL1トリガーは高いイベント処理能力を持ち、他のシステムとの統合もより良くなって、より進化した検出能力が期待されるんだ。

データ収集システムは、Phase-2中に予想されるデータフローの増加に対応するように変わるよ。新しい技術を活用して、生成される大量の情報を処理・分析する効率を維持していくんだ。

#結論

CMS検出器のRun 3とPhase-2のためのアップグレードは、粒子検出の高い基準を維持するために重要だよ。技術とシステムの進展が続く中、CMS実験は将来の衝突率の増加による課題に挑む準備をしているんだ。これらの変更はデータの収集と分析能力を高めて、粒子物理学の理解を深め、新しい発見をもたらす可能性があるよ。