Upload
bertoldo-rocco
View
213
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
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
Padova - 29 Giugno 2005 L’esperimento LHCf SLIDE 2
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)
Padova - 29 Giugno 2005 L’esperimento LHCf SLIDE 3
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
Padova - 29 Giugno 2005 L’esperimento LHCf SLIDE 4
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!!!
Padova - 29 Giugno 2005 L’esperimento LHCf SLIDE 5
• 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.
Padova - 29 Giugno 2005 L’esperimento LHCf SLIDE 6
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
Padova - 29 Giugno 2005 L’esperimento LHCf SLIDE 7
• 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
Padova - 29 Giugno 2005 L’esperimento LHCf SLIDE 8
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)
Padova - 29 Giugno 2005 L’esperimento LHCf SLIDE 9
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
Padova - 29 Giugno 2005 L’esperimento LHCf SLIDE 10
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
Padova - 29 Giugno 2005 L’esperimento LHCf SLIDE 11
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
Padova - 29 Giugno 2005 L’esperimento LHCf SLIDE 12
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
Padova - 29 Giugno 2005 L’esperimento LHCf SLIDE 13
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
Padova - 29 Giugno 2005 L’esperimento LHCf SLIDE 14
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)
Padova - 29 Giugno 2005 L’esperimento LHCf SLIDE 15
Detector II
Giappone/Italia Le fibre scintillanti sono sostituite da rivelatori al silicio con geometria ‘tradizionale’
Padova - 29 Giugno 2005 L’esperimento LHCf SLIDE 16
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
Padova - 29 Giugno 2005 L’esperimento LHCf SLIDE 17
SIMULAZIONEDEL
CALORIMETRODue simulazioni indipendenti:a) programma “custom” (Giappone)b) Fluka (Firenze)
Cross check dei risultati!
Padova - 29 Giugno 2005 L’esperimento LHCf SLIDE 18
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.
Padova - 29 Giugno 2005 L’esperimento LHCf SLIDE 19
DISCRIMINAZIONE DI PARTICELLEDISCRIMINAZIONE DI PARTICELLE
Padova - 29 Giugno 2005 L’esperimento LHCf SLIDE 20
Profilo longitudinale degli sciami Profilo longitudinale degli sciami ((γγ/n)/n)
Fluka
Padova - 29 Giugno 2005 L’esperimento LHCf SLIDE 21
Porzione dello spettro in PT dei fotoni di diversa energia osservabili con LHCf
Rivelazione dei singoli fotoni
Padova - 29 Giugno 2005 L’esperimento LHCf SLIDE 22
~ 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
Padova - 29 Giugno 2005 L’esperimento LHCf SLIDE 23
Eventi multipli/contaminazione in energia
Custom
Padova - 29 Giugno 2005 L’esperimento LHCf SLIDE 24
Simulazioni: ricostruzione dell’energia dei Simulazioni: ricostruzione dell’energia dei e e risoluzionerisoluzione
2 mm dal bordo: perdita 15%di energia (correggibile!)
FlukaCustom
Padova - 29 Giugno 2005 L’esperimento LHCf SLIDE 25
Rivelazione dei 2 fotoni del decadimento del 0
Padova - 29 Giugno 2005 L’esperimento LHCf SLIDE 26
Fluka
Padova - 29 Giugno 2005 L’esperimento LHCf SLIDE 27
Fluka
Padova - 29 Giugno 2005 L’esperimento LHCf SLIDE 28
Fluka
Padova - 29 Giugno 2005 L’esperimento LHCf SLIDE 29
Padova - 29 Giugno 2005 L’esperimento LHCf SLIDE 30
Il prototipo del calorimetroIl prototipo del calorimetro
PIANI DI FIBRE SCINTILLANTI
PIANI DI SCINTILLATORE
IL SISTEMA COMPLESSIVO
Padova - 29 Giugno 2005 L’esperimento LHCf SLIDE 31
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)
Padova - 29 Giugno 2005 L’esperimento LHCf SLIDE 32
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)
Padova - 29 Giugno 2005 L’esperimento LHCf SLIDE 33
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
Padova - 29 Giugno 2005 L’esperimento LHCf SLIDE 34
Gli apparati in esameGli apparati in esame
Sistema tracciante Sistema tracciante (INFN Firenze -Pamela)(INFN Firenze -Pamela)
Calorimetro Calorimetro (Japan)(Japan)
Padova - 29 Giugno 2005 L’esperimento LHCf SLIDE 35
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
Padova - 29 Giugno 2005 L’esperimento LHCf SLIDE 36
(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)
Padova - 29 Giugno 2005 L’esperimento LHCf SLIDE 37
Ricostruzione della traiettoria: Ricostruzione della traiettoria: distribuzioni di sin(distribuzioni di sin() e ) e
1.4º
2.2º
185.5º
Padova - 29 Giugno 2005 L’esperimento LHCf SLIDE 38
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
Padova - 29 Giugno 2005 L’esperimento LHCf SLIDE 39
Risultati del test del calorimetro: risoluzione Risultati del test del calorimetro: risoluzione energeticaenergetica
Elettroni 200 GeVElettroni 200 GeV
Padova - 29 Giugno 2005 L’esperimento LHCf SLIDE 40
ConclusioniConclusioni
• Settembre: LHCC• Settembre: Commissione 1 INFN• 2006: costruzione dei 2 detectors e
test su fascio• 2007: presa dati a LHC!!!!