Transcript 加速器実験 - 最高エネルギー宇宙線実験の研究会

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)
2012年10月28日
最高エネルギー宇宙線実験の研究会@ICRR
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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
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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
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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-
弾性度 (Ebaryon/E0)
Baryonスペクトル
π+
非弾性度 (Emeson/E0= 1-弾性度)
粒子多重度(multiplicity)
Mesonスペクトル
π0
3. 原子核効果
γ
陽子 / 中性子
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各パラメータの <Xmax>への影響
(R.Ulrich et al., PRD, 83 (2011) 054026)
Artificial modification of parameters
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
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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)
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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
◯
LHCf光子スペクトル
〜２５g/cm2
LHCf π0スペクトル
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(宇宙線relatedな)
 固定標的(fixed-target)実験
加速器実験
赤字は現在も運転中
(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)；
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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 ）
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Collider experiment and pseudorapidity
Central
pseudorapidity

   ln(tan )
θ
Forward
2
η: pseudorapidity ~ y: rapidity y = (1/2) x ln((E+pz)/(E-pz))
Lorentz変換で、 y => y + const
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衝突型加速器(Collider)のどこで測るか？
multiplicity and energy flux at LHC 14TeV collisions
pseudo-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
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前方粒子の測定原理
陽子ビーム
(黒実線)
ATLAS等の Central detector
ZDC/ 二次中性粒子
LHCf
ZDC/
LHCf
陽子衝突
Roman
Pot
散乱陽子
（黒点線）
双極磁石
TOTEM RP
ビームパイプ
Central領域の forward detector
(CMS HF, LHCb, TOTEM T2, CMS CASTOR)
1. (全)非弾性断面積
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σine LHC 前
Tevatron
(Ulrich, PRD, 2011)
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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
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LHC 7TeV
σtot, σel, σine現状
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σTOTEM > σ ATLAS,CMS, ALICE ?
(Ostapchenko, PLB, 703, 588-592, 2011)
（ATLAS Collab., Nature Comm., 2:463, 2011）
ATLASの外挿範囲
ATLASの測定可能範囲
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
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2. 粒子生成
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meson多重度@central
D.D’Enterria et al., Astropart. Phys., 35 (2011) 98-113
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TOTEM T2 tracker, LHCb;
前方メソン多重度
LHCb
LHCb (EPJC (2012) 72:1947 )
TOTEM T2 (EPL, 98 (2012) 31002)
TOTEM T2
Presentation at QCD at Cosmic Energies - V
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CMS HF
(Hadronic Forward Calorimeter)
The CMS Collaboration, JHEP, 11 (2011) 148
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LHCf実験
• ATLAS IP 140m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
LHCf
Leading baryon calorimeters
(neutron)
Multi meson production
π0
π0
photon
粒子種識別
光子対不変質量分布
photon
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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
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900GeV vs. 7TeV
XF-PT平面でのcoverage
XF spectra : 900GeV data vs. 7TeV data
Preliminary
900GeV vs. 7TeV
with the same PT region
900 GeV
Small+large
tower


Data 2010 at √s=900GeV
(Normalized by the number
of entries in XF > 0.1)
Data 2010 at √s=7TeV (η>10.94)
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
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LHCf;
π0 PT分布（rapidity別）
The LHCf Collaboration, arXiv1205.4578, PRD in press
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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
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3. 原子核効果
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Pp衝突の重ね合わせで
期待される値との比
RHIC d-Au √sNN = 200GeV; 前方メソン
(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
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LHC p-Pb衝突 (2013年1-2月)
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RHICにおける Nitrogen衝突の可能性
(preliminary; 秋の物理学会・鈴木)
Neutron
pi0
• (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」
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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)
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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
– Excess muon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
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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
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Backup
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d el
dt
= 503.7 +- 1.5 +- 26.7
mb/GeV2
LHC TOTEM σine
EPL, 95 (2011) 41001
t 0
[光学定理]
2
16
p
(
c)
1 dRel
2
s tot =
1+ r 2 L dt
t=0
r =0.14 +0.01-0.08
(COMPETE collaboration)
d el
dt
t 0
Integrated over entire “t” region
d el
 el  
dt 24.8  0.2  1.2mb
dt
 tot  98.3  0.2
2.8
2.7
mb
 inel   tot   el
 73 .5  0.6 11..38 mb
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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
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900GeV衝突の結果
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900GeV vs. 7TeV
XF-PT平面でのcoverage
XF spectra : 900GeV data vs. 7TeV data
Preliminary
900GeV vs. 7TeV
with 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)
900 GeV
Small+large
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
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光子との関係
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