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LHC f実験 名大 STE 研 﨏 さこ  隆志 for the LHCf collaboration. Contents 超高エネルギー宇宙線観測 宇宙線観測におけるハドロン相互作用モデル LHCf 実験(実験概要、モデル判定、プラン). 「超高エネルギー宇宙線とハドロン構造 2008 」研究会 2008 年 4 月 25 日 ,26 日@ KEK. High-Energy Cosmic-Rays. 観測は別トーク参照 Observable は大気中の 2 次粒子

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Presentation Transcript
lhc ste for the lhcf collaboration

LHCf実験 名大STE研 﨏さこ 隆志for the LHCf collaboration

Contents

超高エネルギー宇宙線観測

宇宙線観測におけるハドロン相互作用モデル

LHCf実験(実験概要、モデル判定、プラン)

「超高エネルギー宇宙線とハドロン構造2008」研究会 2008年4月25日,26日@KEK

high energy cosmic rays
High-Energy Cosmic-Rays
  • 観測は別トーク参照
  • Observableは大気中の2次粒子

samplingされた粒子数, shower 形状, 2次粒子種分布, 到来方向

  • これらを説明するためのパラメータは

source spectrum, source distribution, composition, propagation, interaction

  • Interactionのみが”宇宙物理”の対象ではない
knapp et al astropart phys 19 77 99 2003 stanev high energy cosmic rays springer
ハドロン相互作用モデルについて(Knapp, et al., Astropart. Phys, 19, 77-99, 2003; Stanev, “High Energy Cosmic Rays”, Springer からのうけうり)
  • QGSJET, DPMJETは Gribov-Regge theory (Phys. Rep., 100, 1-150, 1983) をベースにしている
  • GBTはσinela, kinelaをフリーパラメータとはしていない
  • SIBYLLは GBTと現象論モデルの中間
  • Accelerator dataのエラーも無視できない (σinela @ √s =1800GeV = 72, 80 mb)
  • Pseudo rapidity distribution (SppSでも異なる結果)
pseudo rapidity distribution at spps
Pseudo rapidity distribution at SppS

Charged: UA5 (黒丸)と P238(十字)で結果が違う

π0: UA7 Feynman scalingを破らない

model dependence for observables from knapp

Xmax

Iron

Number of particles

Proton

Xmax (g/cm2)

Proton

Iron

Atmospheric depth

Energy (eV)

LHC 450GeV

LHC 7TeV

Model dependence for Observables (from Knapp)

Knapp et al.

slide6

HiRes-1 mono

HiRes-2 mono

AGASA

微分フラックス

1019eV 1020eV

log(Energy)

最高エネルギー宇宙線(観測)

2つの主要実験で結果が異なる

新たな巨大観測実験(TA, Auger)が近年中に解決する予定

しかし、

Major systematics of AGASA

Total ±18%

Hadron interaction

(QGSJET, SIBYLL) < 10%

(Takeda et al., 2003)

相互作用モデルの違いは、観測グループには抑えられない

⇒  加速器実験によるモデルの

         弁別が不可欠

slide7
LHCでの測定
  • Gribov-Regge theoryの high energyでのキャリブレーション点を与える

    - labo系で 1017 eV ー

  • Gribov-Regge theory自身の妥当性の検証(フリーパラメータの範囲内でLHCの実験を説明できるか?)
slide8

The LHCf Collaboration

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, A. Viciani

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

slide9

No cut

γ: x<0.05

Pi,K: x<0.1

5×1019eVで最前方

の粒子を除いた場合

空気シャワーにおける最前方粒子

( x=1 @ theta= 0 degree)

slide10

θ

7TeV Proton

7TeV Proton

Multiplicity(荷電粒子)

Energy Flux

LHCf

coverage

8.4

10

0.1

mrad

psudorapidity:= - ln (tan /2)

LHCにおける最前方粒子
lhc lhcf

interaction point 1

140m

96mm

LHC&LHCf

Arm#1

Arm#2

2007 1
2007年1月のインストール試験

TAN上面

TAN:鉄の塊で背後の超伝導

磁石を放射線から守る

この96mmの幅の中に92mmの

装置を入れる

double arm detectors

290mm

Arm#1 Detector

90mm

Arm#2 Detector

Double Arm Detectors
double arm detectors1

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
calorimeter

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

manipulator
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

energy resolution gamma rays
Energy resolution(gamma-rays)

5%

1TeV

↑MC simulation <7TeV

← SPS beam test <200GeV

lhcf 8 4
LHCfでの測定(η>8.4 に放出される中性粒子)
  • Single arm events

single gamma-ray (主にπ0起源)

gamma-ray pair from π0 decay

neutron (ΔE/E~30%)

  • Double arm events
  • Coincidence with ATLAS sub-detectors
slide21
LHCfでの測定
  • 単独では絶対断面積は測定できない(別にLuminosityが決まれば可能)
  • 相対微分断面積(Pseudo rapidity分布, E分布、Pt分布)は測定可能
  • Inelasticityは (1-elasticity)として測定可能

leading particleがもつエネルギー比率

宇宙線実験では、Λ= 14.6・k・mp/σp-airinel からk(inelasticisy)を仮定してσp-airinel を求めているので、kを独立に決定することで σp-airinel の決定に貢献できる。Λは空気シャワーの大気中での減衰長。(Knapp参照)

slide23
ガンマ線スペクトルを用いたモデル弁別

比較条件

 ・同時入射イベントを除く

 ・縦軸ノーマリゼーション、

  エネルギースケールを

  フリーパラメータとする。

χ2の定義

QGSJETII (400,000events)

⇔ QGSJETχ2= 58 (C.L. 77%)

⇔ DPMJET3 χ2= 73 (C.L. 29%)

⇔ SIBYLL χ2= 135 (C.L. 10-6)

(900,000events ,DOF=69-2)

α,β:ノーマリゼーション、エネルギースケールの

    フリーパラメータ

σ:統計誤差 N:スペクトルBin分割数

slide24

θ~ 0 radian

θ~ 270 μradian

モデル弁別能力

LHC立ち上げ時の低luminosity(1029cm-2s-1)でLHCfを1000秒運転したときに期待されるガンマ線のエネルギースペクトル

slide25
ガンマ線スペクトルを用いたモデル弁別

QGSJETII⇔SIBYLL

β-χ2

χ2

β

QGAJETII(400,000events)

⇔ QGSJET χ2= 107 (C.L. 88%)

⇔ DPMJET3χ2= 224 (C.L. 10-8)

⇔ SIBYLL χ2= 816 (C.L. <10-15)

900,000events DOF = 69+49-3=125

QGSJET2⇔DPMJET3,SIBYLL

2つのデータを合わせることで

差が顕著になる。

slide26

検出器への到来粒子エネルギー分布

エネルギー分解能考慮

中性子を用いたモデル弁別
  • 中性子スペクトルは、相互作用モデルごとの違いが大きい。
  • スペクトルを用いたモデル弁別: 分解能が悪いため、簡単ではない。
  • 断面積を用いたモデル弁別:  γ線イベントとの比を用いることで モデル弁別に有用
slide27
π0スペクトルを用いたモデル弁別

静止質量を再構成し、CUTを用いることで

I.P.付近で生成されたπ0のみ選びだせる。

残留ガスによるBackgroundが予想以上に多かった場合に有用

QGSJETII

⇔ DPMJET3χ2= 106 (C.L. <10-6)

⇔ SIBYLL χ2= 83 (C.L. <10-6)

DPMJET3

⇔ SIBYLL χ2= 28 (C.L.= 0.024)

107events DOF = 17-2=15

lhcf operation
LHCf operation
  • Radiation damageの制限から 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

lhcf event rate
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

slide30
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の条件で測定
  • 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)
  • 原子核衝突での測定
  • VLHC (x2, x3 LHC) ??

今年は5TeVまで

7TeV ラン

slide31
まとめ
  • 超高エネルギー宇宙線観測によって多様な宇宙の高エネルギー現象(ソース、伝播、etc)を解明できる。
  • 地球大気中でのハドロン相互作用の不確定性が解釈の邪魔をする。
  • 相互作用モデルは、”自由きまま”ではない。加速器実験によるチューニングが必要。
  • 既存の加速器データのばらつきが大きく、高エネルギーへの外挿誤差が大きいことが問題。
  • LHCfはLHC(Elab=1017eV)において、最前方粒子の断面積を決め、既存モデルの良否を判定する。
detector in place

LHCf

Luminosity

Monitor (BRAN)

ATLAS ZDC

Detector in place