Transcript LHCf実験 名大STE研 﨏さこ 隆志 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
• 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
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
Charged: UA5 (黒丸)と
P238(十字)で結果が違う
π0: UA7 Feynman
scalingを破らない
Number of particles
Xmax
Iron
Proton
Xmax (g/cm2)
Model dependence for
Observables (from Knapp)
Atmospheric depth
Knapp et al.
Energy (eV)
LHC 450GeV
LHC 7TeV
最高エネルギー
宇宙線（観測）
微分フラックス
HiRes-1 mono
HiRes-2 mono
AGASA
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
⇒
1019eV
1020eV
log(Energy)
加速器実験によるモデルの
弁別が不可欠
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？）
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
空気シャワーにおける最前方粒子
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
( x=1 @ theta= 0 degree)
LHCにおける最前方粒子
7TeV Proton
7TeV Proton
θ
Multiplicity(荷電粒子)
LHCｆ
coverage
Energy Flux
8.4
psudorapidity：  = - ln (tan /2)
10 0.1 mrad
LHCf Acceptance
η> 8.4
η> 8.7
LHC&LHCf
Arm#1
Arm#2
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
Arm#1 Detector
Arm#2 Detector
Double Arm Detectors
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
Calorimeter
n, gamma
n, gamma
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
DC motorによる駆動
全て200m先の control
光学エンコーダ（放射線に弱い!）による位置測定
roomから制御が必要
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
Energy
resolution
5%
(gamma-rays)
1TeV
↑ MC simulation <7TeV
← SPS beam test <200GeV
Position resolution
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
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σpair
p-air
inel を求めているので、kを独立に決定することで σ
inel 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）
モデル弁別いろいろ
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
Dmod( E )  Dmod,i , Dexp(  E )  Dexp,i
2 QGSJETII (400,000events)
N (D
(

,

)

D
)
exp,
i
mod,
i
2= 58 (C.L. 77%)
 2 ( ,  )  
⇔
QGSJET
χ
2
2
 exp,i   mod,i
i
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
⇔ DPMJET3 χ2= 73 (C.L. 29%)
⇔ SIBYLL χ2= 135 (C.L. 10-6)
(900,000events ,DOF=69-2)
モデル弁別能力
θ~ 0 radian
θ~ 270 μradian
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
ガンマ線スペクトルを用いたモデル弁
別
QGSJETII⇔SIBYLL
2
β-χ
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。
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
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
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
• 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
• 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
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) ？？
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