Transcript 1017eVにおける最前方粒子測定実験 LHCf --

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）
シンチ・PMT
笠原克昌 （芝浦工大） モンテカルロ
鳥居祥二，田村忠久，吉田健二 （神奈川大） SciFi・MAPMT
O. Adriani, L. Bonechi, M. Bongi (フィレンツェ大，イタリア) シリコントラッカー
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)
日本物理学会 第60回年次大会 （2005年3月24日） 24pXH8
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
Flux
Xmax (g/cm2)
最高エネルギー宇宙線の課題
Knapp et al., 2003
1016
Elab(eV)
化学組成の変化
1020
19
Super GZKの有無
20
Log10(E) (eV)
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
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。
0.1
Feynman X
700 800 900 1000
1.0
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。
Interaction
Point
95mm
140m
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。 ）
LHCf 実験
2004年6月LHCCに
認められた。
From J. Engelen @ Workshop ‘Physics at LHC’
Underground Works Civil Engineering
LHCb
全周27 km
ATLAS
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
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 SPS H4）
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
2004年試作機（内部写真）
280mm
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
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）
2 cm
SciFi Belts
Hamamatsu
64 ch (8x8)
8 dynode
4 cm
MAPMT
1 MIP > 5 p.e.
SciFi 1mm Sq.
Clear Fiber
Joint
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
Beam trigger
Moving table
Si tracker
Calorimeters
(20mm◇, 40mm ◇)
2004年試験セットアップ（写真）
2004年試験（Quick-Lookモニター画面）
SciFiデータサンプル ＠10r.l.
（40mm, 200GeV/c electron）
X
Y
Y
Y
X
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
結果と改善の可能性
Example Image of One Event (e 200 GeV/c HV-600V)
e 200 GeV/c (HV-600V) ~5000 events
X
Lay1（6 ｒｌ）
Lay2（10 ｒｌ）
Y
Lay1
6 r.l.
Lay3（34 ｒｌ）
0
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)
ADC
8000
Lay2
10 r.l.
Lay3
34 r.l.
ADC-Ped. (Max.~30000)
Scinti.+W calorimeter
Event sample (transition curve for 4 cm detector)
粒
子
数
Scinti Layer
200GeV/c electron fully contained
50GeV/c electron fully contained
200GeV/c electron partially contained
350GeV/c proton



電子シャワーに対す
るCERN実験（50250 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。
PMT出力
CERN実験におけるシンチレータ用PMT出力の較正
粒子数
粒子数 map
Y
Preliminary
 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
NMIP_map_EXP_znorm_
20mm_200GeV
X
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
分解能(%)
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）
0
20 mm
エッジからの距離
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）
2cmカロリメータ位置依存 － エッジ補正
(preliminary)
分解能(%)
MC simulation
0
10 mm
エッジからの距離
200 GeV/c electron
実験値をMC curveで補正
2 mm
5%
5%
0
10 mm
エッジからの距離
粒子数 map
Preliminary
Y
NMIP_map_corr_layer_EXP
_20mm_200GeV
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 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）
 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。
End