Padova - 29 Giugno 2005Lesperimento LHCfSLIDE 1 LHCf: un esperimento per la fisica dei raggi cosmici...

Padova - 29 Giugno 2005 L’esperimento LHCf SLIDE 1

LHCf:LHCf: un esperimento per la un esperimento per la fisica dei raggi cosmici ad LHCfisica dei raggi cosmici ad LHC

Oscar AdrianiINFN Sezione di Firenze - Dipartimento di Fisica dell’Università degli Studi di Firenze

INTRODUZIONEINTRODUZIONE

LA FISICA DI LHCfLA FISICA DI LHCf

L’APPARATO SPERIMENTALEL’APPARATO SPERIMENTALE

STUDIO E SIMULAZIONE DEL RIVELATORESTUDIO E SIMULAZIONE DEL RIVELATORE

TEST AL CERN TEST AL CERN (LUGLIO/AGOSTO 2004)(LUGLIO/AGOSTO 2004)

CONCLUSIONICONCLUSIONI

Studio delle sezioni d’urto di produzioneStudio delle sezioni d’urto di produzionedi pioni neutri nella regione “ di pioni neutri nella regione “ very forwardvery forward ” ”

ad un’energia equivalente di 10ad un’energia equivalente di 101717 eV nel laboratorio eV nel laboratorio


La Collaborazione LHCfLa Collaborazione LHCfO. Adriani(1), L. Bonechi(1), M. Bongi(1), A. Faus(2), M. Haguenauer(3), Y. Itow(4), K. Kasahara(5), K. Masuda(4), Y. Matsubara(4), H. Matsumoto(4), H. Menjo(4), Y. Muraki(4), T. Sako(4), T. Tamura(6), S. Torii(7), W.C. Turner(8), J. Velasco(2), K. Yoshida(6)

(1) Università di Firenze, Italia

(2) IFIC, Centro Mixto CSIC-UVEG, Valencia, Spain

(3) Ecole - Polytechnique, Paris, France

(4) STE laboratory, Nagoya University, Japan

(5) Shibaura Inst. of Techn., Saitama, Japan

(6) Kanagawa University, Yokohama, Japan

(7)Advanced Research Inst. for Science and Engineering, Waseda University Japan

(8) LBNL, Berkeley, California, USA

LHC at CERN

Switzerland

France

4.3 km

Deriva dalla collaborazione CERN UA7 che ha effettuato uno studio della produzione di e 0 a basso angolo (E = 1014 eV nel laboratorio)


Stato conoscitivo dei raggi cosmici primariStato conoscitivo dei raggi cosmici primariComposizione, origine e accelerazione...Composizione, origine e accelerazione...

GZK cutoff:GZK cutoff: 10 102020 eV eV

PR

OF

ON

DIT

A D

EL

MA

SS

IMO

DE

LL

O S

CIA

ME

ENERGIA DEL RC PRIMARIO


Gli eventi di energia estrema Gli eventi di energia estrema ((HiResHiRes e AGASA) e AGASA)

GZK cutoff:GZK cutoff: 10 102020 eV eV

AGASAAGASAvsvs

HiResHiRes

super GZK super GZK events?!?events?!?

Dopo correzione del 15% sulla scala assoluta di energia!!!


• Il contributo predominante al flusso di energia è nella regione “ very forward ” ( = 0)

• Le misure a più alta energia (E=1014 eV) di sezione d’urto di produzione di pioni neutri in regione di alta rapidità ( , y = 5÷7) sono quelle di UA7

• LHCf consente di estendere le misure fino a EElablab=10=101717 eV eV (energia equivalente nel s.d.r. del laboratorio, Elab= E2

cm(LHC)/2 mP)

Sviluppo di sciami atmosfericiSviluppo di sciami atmosferici

2tanln y

Simulazione di uno sciame atmosferico iniziato da un protone di 1019 eV.


Studio dello sviluppo degli sciami atmosfericiStudio dello sviluppo degli sciami atmosfericiNon esistono dati sugli spettri di produzione di particelle ad alte energie!! Questi spettri servono agli esperimenti che studiano lo sviluppo degli sciami in atmosfera (TA, Auger, EUSO)

*

*

MAX

lcm p

px

Necessità di misurare direttamente la sezione d’urto di produzione di pioni in funzione di PT (xcm) per stimare correttamente l’energia del Raggio Cosmico primario

Livello del mare

Fattore 2 di discrepanza


• Installazione di un Calorimetro Elettromagnetico per rivelare i π0 prodotti nell’interazione pp ad LHC, nella regione in cui si ha la separazione del tubo a vuoto, ad una distanza di circa 115m (140m) dal punto di interazione (IP)

• Possibilità di utilizzare le regioni di interazione IR1 (ATLASATLAS) e IR8 (LHCbLHCb)

Metodo sperimentale propostoMetodo sperimentale proposto

interno:95mm


È l’assorbitore per le particelle neutre che provengono dalla regione di interazione ed è alloggiato all’interno della recombination chamber

La regione della TANLa regione della TAN

recombination chamber : è la regione in cui il tubo a vuoto si divide per guidare separatamente pp

Un’apertura nel coperchio Un’apertura nel coperchio superiore permette di superiore permette di inserire o estrarre il inserire o estrarre il contenuto agendo dall’altocontenuto agendo dall’alto

La TAN contiene vari spessori di rame da 10cm (per assorbire particelle neutre) e un “luminosity monitor” (collocato dopo i primi 3 spessori di rame)


Il rivelatore proposto dal gruppo giapponese (di cui già esiste un prototipo funzionante) consiste in un calorimetro elettromagnetico suddiviso in tre sezioni:

L’apparato sperimentale di LHCfL’apparato sperimentale di LHCf

Tre torri con identica struttura nella direzione di moto delle particelle, ma con dimensioni trasversali diverse

Dimensioni max

(90(90 × 335 × 290) mm × 335 × 290) mm33

Il calorimetro dovrebbe sostituire tre spessori di rame di 10 cm


Struttura del rivelatore: sezione trasversaleStruttura del rivelatore: sezione trasversale

Hamamatsu MA-PMT per le fibre scintillanti

PMTs per i layer di scintillatore

4cm

3cm

2cm BEAM CENTERBEAM CENTER

y ≈ 9.9y ≈ 9.9

y ≈ 8.5y ≈ 8.5

y y ≈≈ 7.8 7.8

Fibre scintillanti per il tracciamento dei profilo trasversale

degli sciami

Fibre per il readout degli scintillatori usati

per campionare il profilo longitudinale

degli sciami

Intervallo di rapiditàaccessibile


Un aspetto interessante di LHCf è la scelta della particolare disposizione geometrica dei rivelatori. Questa è stata pensata dai gruppi giapponesi per rispondere alle esigenze di spazio e di qualità degli eventi rivelati.

Motivazioni per la scelta della geometriaMotivazioni per la scelta della geometria

1) Minore piegatura delle fibre necessaria per guidare i segnali verso i PMTs

2) Sezione del rivelatore: piccola vicino alla linea del fascio e grande a maggiore distanza, per minimizzare il numero di eventi multihit

3) Minimizzazione del numero di sciami che vengono prodotti in un calorimetro e riescono a penetrare nel calorimetro adiacente

4) Necessità di separare gli sciami iniziati dai 2 prodotti da un 0 per una migliore ricostruzione dell’energia e della direzione del 0


AssorbitoreAssorbitore

20 strati di tungsteno, di 20 strati di tungsteno, di spessore variabile (3.5 mm spessore variabile (3.5 mm – 7 mm) – 7 mm)

(W: X(W: X00 = 3.5mm, R = 3.5mm, RMM = 9mm) = 9mm)

ScintillatoriScintillatori

Sistema di Sistema di triggertrigger e misura e misura dell’energia rilasciata dallo dell’energia rilasciata dallo sciame a varie profondità sciame a varie profondità nel calorimetronel calorimetro

Fibre scintillantiFibre scintillanti

Determinazione del profilo Determinazione del profilo spaziale dello sciame con spaziale dello sciame con fibre di 1 mmfibre di 1 mm22

Struttura longitudinale del rivelatoreStruttura longitudinale del rivelatore


Installazione di due rivelatori Installazione di due rivelatori indipendentiindipendenti

INTERACTION POINT

IP1 (ATLAS)or

IP8 (LHCb)

Beam line

Detector II

Tungsteno

Scintillatore

Piani di silicio

Detector I

Tungsteno

Scintillatore

Fibre scintillanti

~110m/140m

~110m/140m


Installazione di due rivelatori Installazione di due rivelatori indipendentiindipendenti

Detector I

Interamente a carico dei giapponesi

Le fibre scintillanti sono realizzate in strati che coprono esattamente la sezione delle tre torri del calorimetro.

Strati di tungsteno

(2 r.l.)

Layer di scintillatore (3mm)


Detector II

Giappone/Italia Le fibre scintillanti sono sostituite da rivelatori al silicio con geometria ‘tradizionale’


Perche’ i silici?

• Migliore precisione nella ricostruzone del punto di impatto dei fotoni

• Migliore selezione di eventi ‘puri’ (1 )• Migliore ricostruzione della massa del

0 (calibrazione in energia!)• Contenimento trasversale degli sciami


SIMULAZIONEDEL

CALORIMETRODue simulazioni indipendenti:a) programma “custom” (Giappone)b) Fluka (Firenze)

Cross check dei risultati!


Sviluppo degli eventi nel calorimetroSviluppo degli eventi nel calorimetro

SCIAME PRODOTTO DA UN RAGGIO SCIAME PRODOTTO DA UN RAGGIO GAMMA DI ALTA ENERGIAGAMMA DI ALTA ENERGIA: IL RILASCIO DI ENERGIA È LIMITATO AI PRIMI SCINTILLATORI, PERCHÉ LO SCIAME SI ESAURISCE IN POCHE LUNGHEZZE DI RADIAZIONE

QUESTA REGIONE QUESTA REGIONE È INTERESSATA È INTERESSATA IN PREVALENZA DAI RILASCI DI IN PREVALENZA DAI RILASCI DI ENERGIA DOVUTI AD EVENTI DI ENERGIA DOVUTI AD EVENTI DI MUONI O ADRONIMUONI O ADRONI

INCIDENT γ - RAY

54 r.l.


DISCRIMINAZIONE DI PARTICELLEDISCRIMINAZIONE DI PARTICELLE


Profilo longitudinale degli sciami Profilo longitudinale degli sciami ((γγ/n)/n)

Fluka


Porzione dello spettro in PT dei fotoni di diversa energia osservabili con LHCf

Rivelazione dei singoli fotoni


~ 0.1 con E>100 GeV per ogni interazione

Rivelazione dei singoli

fotoni

Alcune ore di presa dati con L=1029 cm-2s-1 dovrebberoessere sufficienti


Eventi multipli/contaminazione in energia

Custom


Simulazioni: ricostruzione dell’energia dei Simulazioni: ricostruzione dell’energia dei e e risoluzionerisoluzione

2 mm dal bordo: perdita 15%di energia (correggibile!)

FlukaCustom


Rivelazione dei 2 fotoni del decadimento del 0


Fluka


Il prototipo del calorimetroIl prototipo del calorimetro

PIANI DI FIBRE SCINTILLANTI

PIANI DI SCINTILLATORE

IL SISTEMA COMPLESSIVO


LHCf LHCf - - scheduleschedule ESPERIMENTO APPROVATO DA Ministery of Education IN ESPERIMENTO APPROVATO DA Ministery of Education IN

GIAPPONE nell’ambito dello studio dei RC di altissima energia (TA)GIAPPONE nell’ambito dello studio dei RC di altissima energia (TA)

4 MAGGIO 2004: 4 MAGGIO 2004: LETTER OF INTENTLETTER OF INTENT a a LHC CommitteeLHC Committee ((LHCCLHCC))

ESPERIMENTO APPROVATO DA LHCCESPERIMENTO APPROVATO DA LHCC

RICHIESTI DA RICHIESTI DA LHCCLHCC::

1)1) BEAM TEST BEAM TEST per lo studio della risoluzione energetica del rivelatore per lo studio della risoluzione energetica del rivelatore

(definizione della regione fiduciale)(definizione della regione fiduciale)

2) simulazione per2) simulazione per lo lo STUDIO DEI FONDISTUDIO DEI FONDI di macchina di macchina

3) 3) TECHNICAL DESIGNTECHNICAL DESIGN dell’apparato completo dell’apparato completo

TEST AL CERN (SPS) EFFETTUATO IN LUGLIO/AGOSTO 2004 TEST AL CERN (SPS) EFFETTUATO IN LUGLIO/AGOSTO 2004

(misurata la risoluzione in energia per elettroni fino a 200 GeV; misurati (misurata la risoluzione in energia per elettroni fino a 200 GeV; misurati

inoltre adroni e muoni)inoltre adroni e muoni)


TEST SU FASCIOLUGLIO - AGOSTO 2004

SPS-H4 2 TORRI (2×2 e 4×4)cm2 + SISTEMA TRACCIANTE (telescopio di test sviluppato per PAMELA)

MISURE DI ELETTRONIELETTRONI (50÷250) GeV/c MISURE DI PROTONIPROTONI (150÷350) GeV/c MISURE DI MUONIMUONI (150) GeV/c

SCAN x-y DEL RIVELATORE (STUDIO DELLE DIPENDENZE

DALLA DISTANZA DAL BORDO DEL CALORIMETRO)


T.Sako K.TanakaK.Yoshida Y.ObataT.Tamura

O.Adriani L.Bonechi W.TurnerM.HaguenauerM.Bongi

S.ToriiK.MasudaK.KasaharaEM Calorimeter Si Tracker

Le facce di LHCf - SPS H4, Lug-Ago 2004


Gli apparati in esameGli apparati in esame

Sistema tracciante Sistema tracciante (INFN Firenze -Pamela)(INFN Firenze -Pamela)

Calorimetro Calorimetro (Japan)(Japan)


Schema del rivelatore tracciante Schema del rivelatore tracciante utilizzato per il test preliminare del utilizzato per il test preliminare del

20042004

1 23

4 5

O

x

y

z

Particella incidente

Rivelatori a microstrisce di silicio


(in m)

Ricostruzione del punto di impattoRicostruzione del punto di impattosul piano centrale (sul piano centrale (z z 00))

(cm vs cm)

Presa dati in una singola posizione

Presa dati complessiva in varie posizioni

(cm vs cm)

(cm) (cm)


Ricostruzione della traiettoria: Ricostruzione della traiettoria: distribuzioni di sin(distribuzioni di sin() e ) e

1.4º

2.2º

185.5º


Risultati del test: profilo longitudinale degli Risultati del test: profilo longitudinale degli sciamisciami

200GeV/c electron fully content 200GeV/c electron partially content

50GeV/c electron fully content 350GeV/c proton


Risultati del test del calorimetro: risoluzione Risultati del test del calorimetro: risoluzione energeticaenergetica

Elettroni 200 GeVElettroni 200 GeV


ConclusioniConclusioni

• Settembre: LHCC• Settembre: Commissione 1 INFN• 2006: costruzione dei 2 detectors e

test su fascio• 2007: presa dati a LHC!!!!

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