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10 17 eV における最前方粒子測定実験 LHCf -- 計画概要と CERN でのテストビームによる性能評価 -- - PowerPoint PPT Presentation


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10 17 eV における最前方粒子測定実験 LHCf -- 計画概要と CERN でのテストビームによる性能評価 --. ~ 来るべき TA 観測結果の解釈のために ~. 増田公明,﨏隆志,村木綏,松原豊,小幡康義,田中康一 (名大 STE 研) 笠原克昌 (芝浦工大) 鳥居祥二,田村忠久,吉田健二 (神奈川大) O. Adriani, L. Bonechi, M. Bongi ( フィレンツェ大,イタリア ) A. Faus, J. Velasco (Centro Mixto CSIC-UVEG ,スペイン )

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Presentation Transcript
Ev lhcf cern
1017eVにおける最前方粒子測定実験 LHCf-- 計画概要とCERNでのテストビームによる性能評価--

~ 来るべきTA観測結果の解釈のために ~

増田公明,﨏隆志,村木綏,松原豊,小幡康義,田中康一 (名大STE研)

笠原克昌 (芝浦工大)

鳥居祥二,田村忠久,吉田健二 (神奈川大)

O. Adriani, L. Bonechi, M. Bongi(フィレンツェ大,イタリア)

A. Faus, J. Velasco(Centro Mixto CSIC-UVEG,スペイン)

M. Haguenauer(エコールポリテクニック,フランス)

W. C. Turner(LBNL,アメリカ)

モンテカルロ

シンチ・PMT

SciFi・MAPMT

シリコントラッカー

日本物理学会 第60回年次大会 (2005年3月24日) 24pXH8


Contents
Contents

1.最高エネルギー宇宙線研究の課題

2.エネルギー較正実験 LHCf の概要

3.プロトタイプ機

4.2004年夏のCERNテスト実験

5.テスト実験の解析結果(経過報告)

6.今後の予定


proton

iron

Knapp et al., 2003

最高エネルギー宇宙線の課題

Xmax (g/cm2)

Flux

1016

1020

Elab(eV)

19

20

Log10(E) (eV)

化学組成の変化

Super GZKの有無


課題を克服するために

Monte Carlo simulation

 エネルギー決定はMCに頼らざるを得ない。

 しかし,1020eVの相互作用モデルは誰も保証しない。

LHC(7 TeV p×7 TeV p)ならば実験室系で 1017eV の

 相互作用を検証することが可能。

1020eV

最高エネルギーへの掛け橋


0.1 1.0

Feynman X

700 800 900 1000

モデル不定性とシャワー発達

Feynman X @ 1017eV

for p-p collision

2つの極端なモデル

が異なるシャワー発達

を与える。


Interaction

Point

95mm

140m

最前方 X分布(エネルギー分布)

X∝P//~E @最前方

シャワーの発達には前方放出粒子の寄与が大きい。

→ collider の最前方に検出器を置く。

LHCではIPから140mのところでビームをわける。

95mmの隙間にカロリメータを置くことが可能。

最前方にシャワーカロリメータを置き、発生したπ0(一部η)からのガンマ線と中性子のエネルギーを測定する。(荷電粒子は磁場でスイープされる。 )

2004年6月LHCCに

認められた。

LHCf 実験


From J. Engelen @ Workshop ‘Physics at LHC’

Underground Works Civil Engineering

LHCb

ATLAS

全周27 km


LHCf カロリメータ

SciFi(1 mm幅)による

シャワー位置の測定

(x, y @ 6, 10, 34 r.l.)

4 cm×4 cm

3 cm×3 cm

2 cm×2 cm

の3つのタワー

Beam

17枚のプラスチックシンチレータとタングステン板によるサンプリング・シャワーカロリメータ

(2/4 r.l. step,全長54 r. l.)


エネルギーキャリブレーション(MC)

π0→2γ のガンマ線の

エネルギー・運動量を別々の

タワーで測定することで,π0 の

不変質量を測定することが可能


試作機のビームテスト

(2004年7月30日~8月11日,CERN SPSH4)

  • テスト実験の課題

  • 95mmの幅の中にカロリメータ,エレキを収められるか。

  • 2cm×2cmというカロリメータでちゃんとエネルギーを測定できるか。(端のイベントを補正できるか。)

  • 50, 100, 150, 200, 250 GeV/c の電子,

  • 150 GeV/c のミューオン, 150, 300, 350 GeV/c の陽子

  • 入射位置を変えて照射

  • シリコントラッカーで入射位置を50μmの精度で決定


280mm

2004年試作機(内部写真)

MAPMT用

front-end回路

MAPMT

(H7546)

カロリーメータ用

PMT(H3164-10)

4cmタワー

2cmタワー


Scifi mapmt

SciFi Belts

2 cm

4 cm

1 MIP > 5 p.e.

SciFi 1mm Sq.

Clear Fiber

Joint

シンチレーションファイバー(SciFi)とマルチアノード光電子増倍管(MAPMT)

Hamamatsu

64 ch (8x8)

8 dynode

MAPMT

Viking Chip

VA32HDR14

IDEAS

MAPMT+FEC


2004年試験セットアップ

L1

L2

L3

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

Beam trigger

Moving table

Si tracker

Calorimeters

(20mm◇, 40mm ◇)

Beam


2004年試験セットアップ(写真)


2004 quick look
2004年試験(Quick-Lookモニター画面)


Scifi 10r l 40mm 200gev c electron

X

Y

Y

X

SciFiデータサンプル @10r.l.(40mm, 200GeV/c electron)

Y

X

普通の電磁カスケードシャワー

2粒子同時入射イベント?


Scifi detector

e 200 GeV/c (HV-600V) ~5000 events

X

Y

Lay1

6 r.l.

Example Image of One Event (e 200 GeV/c HV-600V)

Lay2

Lay1(6 rl)

10 r.l.

Lay2(10 rl)

Lay3

Lay3(34 rl)

34 r.l.

ADC-Ped. (Max.~30000)

SciFi Detector結果と改善の可能性

0 ADC 8000

Dynamic Range :

1/7~1/5 of Full Range for e 200 GeV/c

→Electrons up to a few TeV can be detected

Further Improvement :

ADC :250 kHz ⇒ 500 kHz

Viking Chip :Radiation Hard

・0.8μ⇒0.35μprocess

・SOI (Silicon On Insulator)


Scinti w calorimeter event sample transition curve for 4 cm detector
Scinti.+W calorimeterEvent sample (transition curve for 4 cm detector)

粒子数

Scinti Layer

200GeV/c electron fully contained

200GeV/c electron partially contained

50GeV/c electron fully contained

350GeV/c proton


Cern pmt
CERN実験におけるシンチレータ用PMT出力の較正

PMT出力

  • 電子シャワーに対するCERN実験(50-250 GeV/c)のMC simulation から得られる粒子数(=光量)と各PMTの出力。

  • 2 cm カロリメータと 4 cmカロリメータを一緒にプロット。集光率の違いはミューオンに対する応答で補正済み。

  • 比例していないので,4パラメータの曲線でfit。

粒子数


Nmip map exp znorm 20mm 200gev
NMIP_map_EXP_znorm_20mm_200GeV

Y

粒子数 map

Preliminary

X

  • 各シンチ層の粒子数分布

  • 2 cm カロリメータ

  • 200 GeV/c electron beam

  • Σ粒子数(全エネルギー)

20 mm


4 cm 200 gev c electrons preliminary

Σ粒子数

Σ粒子数

位置補正後

<Σ粒子数>

位置補正後

分解能(%)

エッジからの距離

4 cm カロリメータ位置依存(エッジ補正)200 GeV/c electrons(preliminary)

カロリーメータの端に入った

シャワーは粒子数が減る。

→ エネルギーの underestimate

位置依存性を補正することで

端に近いイベントも正しく

エネルギーを決められる。

(補正は近似的に

energy independent)

シャワーの位置はSciFiの

データで求める。

(今回はシリコンで測った

入射位置)

0 20 mm


2cm preliminary

200 GeV/c electron

Σ粒子数

Σ粒子数

位置補正後

<Σ粒子数>

位置補正後

分解能(%)

エッジからの距離

エッジからの距離

MC simulation

実験値をMC curveで補正

2cmカロリメータ位置依存 - エッジ補正(preliminary)

2 mm

5 %

5 %

0 10 mm

0 10 mm


Nmip map corr layer exp 20mm 200gev
NMIP_map_corr_layer_EXP_20mm_200GeV

粒子数 map

Y

Preliminary

X

  • エッジ補正後の各シンチ層の粒子数分布

  • 2 cm カロリメータ

  • 200 GeV/c electron beam


Pmt linearity
PMT の linearityと較正

  • CERN実験では 250 GeVまでを確認。

  • 本番のエネルギー(数TeVまで)に対応する光量を与えてPMTの応答を調べる。

  • そのためのレーザーと fast pulser を用いたキャリブレーションシステムを立ち上げた。


Calibration of pmt h3164 10
Calibration of PMT(H3164-10)

  • Fast pulser (<10ns)

    to simulate pulse shape from plastic scinti.

  • Laser diode (440nm)

    triggered by the fast pulser

  • Reference PMT (H1161)


CERNテスト実験のこれまでの結論

  • LHCf 実験のための検出器のプロトタイプを製作し,ビームテストを行った。

  • 入射位置補正後,端の2 mmを除けば十分な精度で入射光子のエネルギーを測定できる。

  • カロリメータ出力(PMT)のエネルギー較正が可能。


ま と め

  • 1017eVでの相互作用モデルを検証するための加速器実験LHCf がスタートした。来るべき最高エネルギー宇宙線観測のデータ解釈に不可欠な基盤を与えると期待される。

  • 実験は LHCCで承認され,検出器設置場所等の具体的なつめをおこなっている。2007年LHC立ち上げ時の低 luminosity(<1030 cm-2s-1)での測定ランを目指している。

  • 2004年7‐8月に CERN SPSにおいてプロトタイプによるテスト実験を行った。実験は無事終了し,これまでにいくつかの preliminary な結果を得た。現在さらに詳細なデータ解析中である。

  • 今後検出器に改善を加え,本番実験の準備をすすめる。



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