LHC ｆ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 Ener

gy 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

Knapp et al.

Energy (eV)

Xm

ax (

g/c

m2)

Proton

Iron

Atmospheric depth

Nu

mb

er o

f p

arti

cles

Xmax

Iron

Proton

LHC 450GeV LHC 7TeV

Model dependence for Observables (from Knapp)

最高エネルギー宇宙線（観測）

1019eV 1020eV log(Energy)

微分

フラ

ック

ス HiRes-1 monoHiRes-2 monoAGASA

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

⇒ 　　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？）

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

The LHCf Collaboration

空気シャワーにおける最前方粒子

５ × １０１９ eV で最前方の粒子を除いた場合

No cutγ: x<0.05Pi,K: x<0.1

( x=1 @ theta= 0 degree)

7TeV Proton7TeV Proton

7TeV Proton7TeV Proton

θ

psudorapidity ：　 = - ln (tan /2)

Multiplicity( 荷電粒子 ) Energy Flux

10 0.1 mrad

LHC ｆcoverage

8.4

LHC における最前方粒子

LHCf Acceptance

η> 8.4η> 8.7

LHC&LHCf

interaction point 1

140m

96mm

Arm#1

Arm#2

2007 年 1 月のインストール試験

TAN ：鉄の塊で背後の超伝導磁石を放射線から守る

TAN 上面

この 96mm の幅の中に 92mm の装置を入れる

Double Arm Detectors

Arm#1 Detector Arm#2 Detector90mm

290mm

Double Arm Detectors

Arm#1 Detector20mmx20mm+40mmx40mmSciFi による位置検出

Arm#2 Detector25mmx25mm+32mmx32mmSilicon strip による位置検出

Calorimeter

n, gamma

n, gamma

44 radiation lengths, 1.7 hadron interaction lengths16 sampling scintillators4 position layers (2 for EM, 2 for hadron)

100-7000GeV gamma に対して <5% の分解能

Manipulator

DC motor による駆動光学エンコーダ（放射線に弱い ! ）による位置測定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　

全て 200m 先の control room から制御が必要

Energy resolution

(gamma-rays)

1TeV

5%

↑ 　 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

LHC ｆ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-air

inel から k(inelasticisy) を仮定して σp-air

inel 　を求めているので、 k を独立に決定することで σp-airin

el 　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

N

i ii

ii

ii

DD

DEDDED

2mod,

2exp,

2mod,exp,2

exp,expmod,mod

)),((),(

)(,)(

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

QGSJETII (400,000events) ⇔ QGSJET 　 χ2= 58 (C.L. 77%) ⇔ DPMJET3 χ2= 73 (C.L. 29%) ⇔ SIBYLL χ2= 135 (C.L. 10-6) (900,000events ,DOF=69-2)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

モデル弁別能力

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

θ~ 0 radian θ~ 270 μradian

ガンマ線スペクトルを用いたモデル弁別

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,SIBYLL２つのデータを合わせることで差が顕著になる。

QGSJETII⇔SIBYLLβ-χ2

χ2

β

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

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

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

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) 　？？

今年は 5TeV まで

７ TeV 　ラン

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