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The LHCf Experiment

The LHCf Experiment. SAKO Takashi (STE Lab., Nagoya University) for the LHCf collaboration. CONTENTS 1, Physics 2, Detector Concept 3, LHCf Detectors 4, Calibration 5, LHCf Operation (6, Absolute Cross Section). Hardware の話中心。 MC ベースの話は毛受トークで。.

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Presentation Transcript

  1. The LHCf Experiment SAKO Takashi (STE Lab., Nagoya University) for the LHCf collaboration CONTENTS 1, Physics 2, Detector Concept 3, LHCf Detectors 4, Calibration 5, LHCf Operation (6, Absolute Cross Section) Hardwareの話中心。MCベースの話は毛受トークで。 2008年3月15日（土）　Air Shower MC Mini Workshop @ ICRR

  2. The LHCf Collaboration (31人) K.Fukui, Y.Itow, T.Mase, K.Masuda, Y.Matsubara, H.Menjo, T.Sako, K.Taki, H.Watanabe Solar-Terrestrial Environment Laboratory, Nagoya University, Japan K.Yoshida Shibaura Institute of Technology, Japan K.Kasahara, M.Mizuishi, Y.Shimizu, S.Torii Waseda University, Japan T.Tamura Kanagawa University, Japan Y.Muraki Konan University M.Haguenauer Ecole Polytechnique, France W.C.Turner LBNL, Berkeley, USA O.Adriani, L.Bonechi, M.Bongi, R.D’Alessandro, M.Grandi, P.Papini, S.Ricciarini, G.Castellini INFN, Univ. di Firenze, Italy A.Tricomi INFN, Univ. di Catania, Italy J.Velasco, A.Faus IFIC, Centro Mixto CSIC-UVEG, Spain D.Macina, A-L.Perrot CERN, Switzerland

  3. LHCf資料 • http://www.stelab.nagoya-u.ac.jp/LHCf/Official HP • 上記HPから論文入手可（NIMおよび国際会議proceedings） • Technical Design Report HPから入手可 • Adriani et al.,JINST (Journal of Instrumentation) LHC特集号に投稿準備中

  4. 1, Physics • 超高エネルギー空気シャワーを正しく理解するためのLHC加速器による0度方向断面積決定 • Lab系で 1017eVの陽子陽子衝突 • 中性粒子（γ、n、γ pairからのπ0）の測定 • 既存モデルの有意な判定(図) 　⇒新モデル構築のための高精度断面積データ • 断面積絶対値は他測定に依存(時間があれば最後にコメント)

  5. モデル弁別

  6. 2, Detector Concept • LHCにおける0度測定環境 • Detectorへの要求 －Aperture（空間的制限）によるコンパクト化 　－多重度軽減のためのコンパクトカロリーメーター 　－イメージングカロリーメーター （多重イベント同定、もれ補正、 　　　　運動量決定、invariant mass reconstruction）

  7. interaction point 1 140m 96mm Installation Slot & Aperture 2ndary neutral 2ndary charged Beam pipe TAN (Neutral absorber) 上から装置を差し込める

  8. interaction point 1 140m 96mm flux peak 1 flux peak 2 Installation Slot & Aperture IP側から見た断面図 Beam pipe TAN (Neutral absorber) 上から装置を差し込める

  9. Double tower imaging calorimeter • ２つの独立な小型カロリーメータ(tower)の使用 • (<5% resolution) • 　　－1 towerへのmulti hit事象の低減 • 　　－2 towerへの同時事象から π0→2γを検出可能 • 　　－タングステンとプラスチックシンチレータによるサンプリングカロリーメーター • 　　　　　　（タングステン　1r.l.=3.5mm, モリエール半径 9mm） • 位置検出層による imaging化 (<0.2mm resolution) • 　　－イベントごとのPt測定 • 　　－π0 invariant mass構成による π0断面積測定 • 　　－シャワー粒子もれ補正

  10. 3, The LHCf Detectors • Double arm detectors redundancy、 BG除去、aperture特性の違い、 　　読み出し方法の違い • Calorimeter compactで wide dynamic range • SciFi, silicon strip detector • Manipulator

  11. Double Arm Detectors

  12. 290mm Arm#1 Detector 90mm Arm#2 Detector Double Arm Detectors

  13. Arm#1 Detector 20mmx20mm+40mmx40mm SciFiによる位置検出 Arm#2 Detector 25mmx25mm+32mmx32mm Silicon stripによる位置検出 Double Arm Detectors

  14. Arm#1 Detector Non zero crossing angle + 縦移動で aperture最大 Arm#2 Detector Crossing angle 0で aperture最大 Aperture

  15. Manipulator DC motorによる駆動 光学エンコーダ（放射線に弱い!）による位置測定 リニアポテンシオメータ（可変抵抗）値による位置測定 名大理学部装置開発室と共同開発　 全て200m先の control roomから制御が必要 Robust & Low-tech

  16. n, gamma n, gamma Calorimeter 44 radiation lengths, 1.7 hadron interaction lengths 16 sampling scintillators 4 position layers (2 for EM, 2 for hadron) 100-7000GeV gammaに対して <5%の分解能

  17. Calorimeterデザインのポイント • 7TeV shower max (約70,000 particle)まで極力線形出力が得られること 　－線形領域の広いPMTとブリーダーの改造 　－少光量・低ゲインでのオペレーション 　－時定数の遅いシンチレーター • 1 particle calibrationができること －あまり少光量ではだめ • Wide dynamic rangeでの線形性を calibrationできること 　－PMTサチュレーションは波形に依存するので、LEDではだめ

  18. Plastic scintillator Eljen Technology, EJ-260 発光時定数 9.6ns (遅い発光でPMTのサチュレーションを緩和) Scintillator & PMT PMT HAMAMATSU R7400U 17mmφ 5% linearity <30mA デバイダ改造で dynamic range拡張

  19. Laser Calibration Wide dynamic range (7TeV shower peakで 70,000 particle相当。かつ、1MIPも 見たい)でのリニアリティーを どう確保するか －粒子線による試験は不可能 －LEDも不可 －337nm紫外レーザー(宇翔KEN1020； 0.3nsec pulse)によるシンチレータ励起。シンチレータ発光をNDフィルターで減光しdynamic rangeを確保。0.3nsec<<9.6nsecのため、粒子による励起と同じ波形を示す。 －粒子数（energy deposit）への換算はbeam testで行う。

  20. 紫外レーザーによるdynamic rangelinearity calibration

  21. 位置検出器1(SciFi & MAPMT) SciFi Kuraray SCSF-38, 1mm□ MAPMT HAMAMATSU H7546 (64anode) Front End Circuit (analog ASIC, VA chip) developed for BETS, CALET

  22. 位置検出器2(Silicon strip & Hibrid) 80μmピッチ（読み出しは160μmごと） 285μm厚 Si + 500μm Al PACE3 chip developed by CMS (shaping amp + analog memory) イタリア、フィレンツェ大が担当

  23. 4, Calibration • Laser calibration (relative calibration)済 • Absolute calibration at SPS • Energy resolution • Position resolution • Radiation damage

  24. Detector (Arm#1 or Arm#2) Detector DAQ Trigger Scintillator Silicon Tracker (ADAMO) ADAMO p,e-,mu Calorimeter Moving Table Trigger Scintillator Beam test @ CERN SPS electron (50-200GeV), proton (150-350GeV), muon (100-150GeV) proton + C target -> π0 -> γ + γ

  25. Energy Calibration 150GeV electronに対してデータとMCからADC/dE係数をチャンネル毎に算出 左記係数でミューオンデータを比較 （ゲインの違いはレーザーキャリブレーションの結果を利用）

  26. Energy Resolution ← low gain; 7TeVまでの測定用 ← high gain; 低エネルギー側の 　　　　　　　　　　　　　　精密測定用 High, low gainともに ＞100GeVで ＜5% を達成 MCと実験の差はnoise (pedestal fluctuation)で説明可能 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（上図では考慮してない）

  27. σ= 0.172 (mm) X-position (mm) Position Resolution • Lateral分布からシャワーコアの位置を求め、粒子入射位置とのずれを求める(SPSの場合) • 200GeV 電子について • SciFi • 0.16-0.17mm • Silicon • 0.05mm

  28. 31 30 29 28 LHCf operation log10(Luminosity) 3 days Radiation damage

  29. Radiation Damage Test

  30. Laser Monitor Plastic scintiに ファイバーをさし、レーザー光を導入 シンチ出力をモニタしダメージ分を補正

  31. ５, LHCf operation • Radiation damageから L<1030cm-2s-1で　　　　　　<1week(LHCの到達点は 1034) • エレキの制限から ≧2μsec間隔でのイベント 　　　　　　（LHCの到達点は 25nsec間隔） 上記条件は、LHC commissioning時に実現 43 bunch (2μsec間隔)、L<1030cm-2s-1

  32. LHCf event rate • L=1029cm-2s-1, σinela = 100mb とすると、 collision rate = Lσinela = 104 s-1 LHCfへの aperture ～0.1 LHCf event rate = 103 s-1 106events/17min • DAQの達成 rateが ～1kHz • π0, double arm event ～×0.1 106events/3hour

  33. Run シナリオ • (officialには)6月半ばにビームを入れる • 2ヶ月ほどマシンの調整の後 first collision • 早くて9月ごろ、LHCfに条件で測定 • 時間が許されれば、crossing angleをつける、Ptのサーベイをする、というオプション • 最初のマシンメンテナンスで装置撤去 • 1年目のマシンシャットダウンの後、再度インストールし、commissioningにあわせて再測定（希望） • 将来の原子核衝突での測定

  34. 6, Absolute Cross Section • R = σL : definition of L • Rは観測量 • L= f n1n2/(4πσxσy) : beam情報が完全にわかっていれば計算可能　（～10%） • σが既知の事象(Z, W production)の計数率からLを計算 (high LでATLASが実施) • LHCf運転時にATLASとの同時事象を記録しておき、後からLHCf運転時のLを計算する　（～1%?） • TOTEM, ATLAS Roman Potが σtotを測定

  35. backup

  36. Leak correction (MC)

  37. Leak correction (experiment)

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