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加速器実験 と 超高 エネルギー宇宙線

加速器実験 と 超高 エネルギー宇宙線. さこ　隆志 ( 名古屋大学　 STE 研 /KMI). Contents. モデルについて 加速器実験で決まるパラメータと< X max > への影響 加速器実験の現状 ( 主に LHC) 非弾性衝突断面積 ; σ ine Multiplicity, energy flow Forward spectra 今後の展望. ハドロン相互作用モデル. H ard 散乱 ; Perturbative QCD; 個々の自由パートン（クオーク、グルーオン）の散乱 パートン分布関数 (PDF)

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加速器実験 と 超高 エネルギー宇宙線

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Presentation Transcript

  1. 加速器実験と超高エネルギー宇宙線 さこ　隆志 (名古屋大学　STE研/KMI) 最高エネルギー宇宙線実験の研究会@ICRR

  2. Contents • モデルについて • 加速器実験で決まるパラメータと<Xmax>への影響 • 加速器実験の現状(主にLHC) • 非弾性衝突断面積; σine • Multiplicity, energy flow • Forward spectra • 今後の展望

  3. ハドロン相互作用モデル • Hard散乱; Perturbative QCD; 個々の自由パートン（クオーク、グルーオン）の散乱 • パートン分布関数(PDF) • ハドロン化(fragmentation function) • Soft散乱; パートン集団（Reggeon, Pomeron）の多重散乱 • 「多重」散乱のエネルギー分配、エネルギー保存 • 高次項（3重Pomeron散乱、Pomeron loop）の考慮 • ハドロン化; fragmentation function Hardと Softの境目は? σine, multiplicity, inelasticity, spectrum, …は モデルの「結果」であって「入力パラメータ」ではない

  4. ハドロン相互作用を「実験的に」特徴づけるパラメータハドロン相互作用を「実験的に」特徴づけるパラメータ 1. 非弾性衝突断面積 （平均衝突距離） 2. 粒子生成 中間子多重発生 Leading baryons π- 非弾性度 (Emeson/E0= 1-弾性度) 粒子多重度(multiplicity) Mesonスペクトル 弾性度 (Ebaryon/E0) Baryonスペクトル π+ π0 3. 原子核効果 γ 陽子 / 中性子

  5. 各パラメータの <Xmax>への影響(R.Ulrich et al., PRD, 83 (2011) 054026) Artificial modification of parameters f19=1.2 σinelaの場合 SIBYLLを変更する E<1015eVは変更しない f19パラメータで E>1015eVで滑らかな変更 例: f19 =0.8, 80% at 1019eV f19=1.2 120% at 1019eV f19=1.0 f19=0.8

  6. 各パラメータの <Xmax>への影響(R.Ulrich et al., PRD, 83 (2011) 054026) Cross section Multiplicity Elasticity Charge ratio • f19はどこまでふっていいのか? • スペクトルと原子核効果の影響は? • (パラメータ化しにくいからほとんど議論されていない)

  7. Forward mesonスペクトルの <Xmax>への影響(preliminary; 秋の物理学会・磯) • DPMJET3の mesonスペクトルをLHCfの結果にあうまで「ソフト化」する • σineは変えない • (in)elasticityは変えない • Central multiplicityは変えない（つもりだが、現時点ではかわっている） • Energy conservationは（ほぼ）守る • LHCfの光子、π0の測定結果にあう 18通りの変形に対して <Xmax>を計算 • => Original DPMJET3とくらべて 25g/cm2の変化 ◯ DPMJET3 ● DPMJET3-mod ● LHCf result 〜２５g/cm2 LHCfπ0スペクトル LHCf光子スペクトル

  8. (宇宙線relatedな)加速器実験 赤字は現在も運転中 • 固定標的(fixed-target)実験(2次π, νビーム, 炭素標的等可) • CERN PS • HARP • CERN SPS(400GeV proton primary) • NA49/NA61(SHINE) • ニュートリノ実験は省略 • （ハドロン）衝突型加速器(collider) • CERN LHC (p-p √s=14TeV (現在8TeV); Ion collision) • ATLAS/ALICE/CMS/LHCb/TOTEM/LHCf (/MoEDAL) • FNAL Tevatron (p-pbar √s=1.8TeV)； • Cross sections by E710/CDF/E811 • BNL RHIC (p-p √s=500GeV, Ion collision)； • CERN SppS (p-pbar √s=630GeV)； • UA1/UA2/UA4/UA5/UA7 • CERN ISR (p-p √s=50GeV)；

  9. 加速器のエネルギーと宇宙線スペクトル（D’Enterria et al., APP, 35,98-113, 2011 ）

  10. Collider experiment and pseudorapidity Central θ pseudorapidity Forward η: pseudorapidity ~ y: rapidityy = (1/2) x ln((E+pz)/(E-pz)) Lorentz変換で、y => y + const

  11. 衝突型加速器(Collider)のどこで測るか？multiplicity and energyflux at LHC 14TeV collisionspseudo-rapidity; η= -ln(tan(θ/2)) 粒子多重度 エネルギー流量 All particles neutral ほとんどの粒子は中央へ、 ほとんどのエネルギーは前方へ

  12. 前方粒子の測定原理 陽子ビーム (黒実線) ATLAS等の Central detector 二次中性粒子 ZDC/LHCf ZDC/LHCf 陽子衝突 双極磁石 ビームパイプ 散乱陽子 （黒点線） Roman Pot TOTEM RP Central領域の forward detector (CMS HF, LHCb, TOTEM T2, CMS CASTOR)

  13. 1. (全)非弾性断面積

  14. σine LHC 前 Tevatron (Ulrich, PRD, 2011)

  15. σine LHC TOTEM実験(TOTEM Collab., CERN-PH-EP-2012-239, 2012) ここが外挿（全体の9%） • Roman Pot実験で極小 |t|での微分弾性散乱断面積 (dσel/dt)を測定 • 外挿からdσel/dt|t=0を決定 • σel = ∫(dσel/dt)dtより、全弾性散乱断面積を決定: 25.43±0.03(stat)±1.07(sys) mb • 光学定理　σtot2 = 16π(ħc)2/(1+ρ2) dσel/dt|t=0 より全断面積を決定: • 98.58±2.23 mb • σine= σtot–σelaより全非弾性散乱断面積を決定: 73.15±1.26 mb

  16. σtot, σel, σine現状 LHC 7TeV

  17. σTOTEM > σATLAS,CMS, ALICE ?(Ostapchenko, PLB, 703, 588-592, 2011)（ATLAS Collab., Nature Comm., 2:463, 2011） ATLASの測定可能範囲 ATLASの外挿範囲 Low mass diffractionは forwardだけに粒子がとぶため、central detectorでは見えない Diffractive mass

  18. 2. 粒子生成

  19. meson多重度@central D.D’Enterriaet al., Astropart. Phys., 35 (2011) 98-113

  20. TOTEM T2 tracker, LHCb; 前方メソン多重度 LHCb (EPJC (2012) 72:1947 ) LHCb TOTEM T2 (EPL, 98 (2012) 31002) TOTEM T2 Presentation at QCD at Cosmic Energies - V

  21. CMS HF (Hadronic Forward Calorimeter) The CMS Collaboration, JHEP, 11 (2011) 148

  22. LHCf calorimeters LHCf実験 Leading baryon (neutron) • ATLAS IP140m前方のカロリーメータ • η>8.4の中性粒子を測定 • √s=0.9,7TeVの測定を終了 Multi meson production photon π0 光子対不変質量分布 粒子種識別 photon π0

  23. 超前方光子(主にπ0, ηの崩壊)スペクトル √s = 900GeV LHCf, PLB, 2012 0度を含む「超超前方」 0度を含まない「超前方」 √s = 7TeV LHCf, PLB, 2011

  24. 900GeV vs. 7TeV XF-PT平面でのcoverage XF spectra : 900GeV data vs. 7TeV data Preliminary 900GeVvs. 7TeVwith the same PT region Data 2010 at √s=900GeV (Normalized by the number of entries in XF > 0.1)Data 2010 at √s=7TeV (η>10.94) small-η = Large tower 900 GeV Small+large tower big-η =Small tower • XF > 0.1 のイベント数で規格化 • 統計誤差のみ表示 等しいPT領域でXF分布をみると、900GeVと7TeVのスペクトルがよい一致

  25. LHCf; π0 PT分布（rapidity別） The LHCf Collaboration, arXiv1205.4578, PRD in press

  26. LHCf; 中性子（preliminary; 秋の物理学会+・川出） Modelスペクトル LHCf標準解析通過後 (full MC) • More baryon (energy) produces more muon at ground • Pierog and Werner, PRL, 101, 171101, 2008

  27. 3. 原子核効果

  28. RHIC d-Au √sNN = 200GeV; 前方メソン Pp衝突の重ね合わせで 期待される値との比 (The STAR Collaboration, PRL 97 (2006) 152302) • RHIC d-Au以外、原子核衝突はこれまで重イオン(Pb, Au)のみ • 今後、p(d)-重イオン、p(d)-軽イオンに注目

  29. LHC p-Pb衝突 (2013年1-2月)

  30. RHICにおける Nitrogen衝突の可能性(preliminary; 秋の物理学会・鈴木) pi0 Neutron • (p-N/p-p)QGS2,EPOS/(p-N/p-p)DPMJET3；原子核効果のモデル依存性 • QGSJET-II (red and magenta)~1 => DPMJET3に近い原子核効果 • EPOS (blue and light blue)は 1からずれる => 特に最前方で強い抑制 • これらの違いは「モデル間の違い」 < 「理論の uncertainty」

  31. 今後の可能性 • Energy frontier • LHC √s=14TeV p-p衝突(Elab= 1017eV); 2015年 • TALEとの overlap • 原子核衝突(宇宙線のためのcollider利用) • LHC p-Pb衝突; 2013年1-2月 • RHICでの窒素衝突の可能性(2017年?) • p-N (Elab=1.1×1013eV), N-N (7.4×1013eV) • Tibet (MD)とのoverlap, proton dominantなenergyでcalibration • LHCでの酸素衝突の可能性(2020年?) • ISVHECRI2012の議論をうけて、CERNを含めてforum形成 • p-O (5×1016eV), O-O (4.2×1017eV) • TALEとの overlap • 解析方法 • Central detectorと forwardの相関 (impact parameter依存)

  32. 1017eVへの期待 • LHC • 軽原子核を含めた理想的な測定が実現可能 • η~6-8の測定は困難(ビームパイプの改造が必要) • TALE, HEAT • SD/FDの energy問題 • Excessmuonの起源(energy, 生成高度)は決まるか? • Model依存が強い観測量を積極的に観測して欲しい • EAS simulation • 加速器と空気シャワーで何を測るべきか、を検討する独立な人（チーム）が必要 • Toy modelで各パラメータの影響を調べる(CONEX) • 2025年には、1017eVの宇宙線の化学組成は確定

  33. まとめ • LHCでさまざまな測定がすすんでいる • σineが最高エネルギーで最高精度で決定 • 広いrapidityで宇宙線モデルがデータをよく再現 • 0度でLHCfが精密測定に成功 • ここまで「驚き」はない • 加速器はまだまだ使える • LHCの解析は始まったばかり • LHC; p-Pb, 14 TeV p-p, 軽イオン? • RHIC; 世界初の軽イオン衝突、1013-14eV protonシャワーとの比較 • 「何を測るべきか(加速器, EAS共に)」の検討にも力を注ぐべき

  34. Backup

  35. LHC TOTEM σine = 503.7 +- 1.5 +- 26.7 mb/GeV2 EPL, 95 (2011) 41001 [光学定理] r =0.14 +0.01-0.08 (COMPETE collaboration) Integrated over entire “t” region

  36. 7TeV衝突、光子スペクトル　実験　VS. モデル Adriani et al., PLB, 2011 DPMJET 3.04 QGSJET II-03 SIBYLL 2.1 EPOS 1.99 PYTHIA 8.145

  37. 900GeV衝突の結果

  38. 900GeV vs. 7TeV XF-PT平面でのcoverage XF spectra : 900GeV data vs. 7TeV data Preliminary 900GeVvs. 7TeVwith the same PT region Data 2010 at √s=900GeV (Normalized by the number of entries in XF > 0.1)Data 2010 at √s=7TeV (η>10.94) small-η = Large tower 900 GeV Small+large tower big-η =Small tower • XF > 0.1 のイベント数で規格化 • 統計誤差のみ表示 Good agreement of XF spectrum shape between 900 GeV and 7 TeV.weak dependence of <pT> on ECMS

  39. 光子との関係

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