The LHCf Experiment

CONTENTS1, Physics2, Detector Concept3, LHCf Detectors4, Calibration5, LHCf Operation(6, Absolute Cross Section)

2008 年 3 月 15 日（土）　 Air Shower MC Mini Workshop @ ICRR

SAKO Takashi (STE Lab., Nagoya University)for the LHCf collaboration

Hardware の話中心。 MC ベースの話は毛受トークで。

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 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 (31 人 )

LHCf 資料• http://www.stelab.nagoya-u.ac.jp/LHCf/ 　 Official HP• 上記 HP から論文入手可（ NIM および国際会議 proceed

ings ）• Technical Design Report HP から入手可• Adriani et al., JINST (Journal of Instrumentation) LHC 特

集号に投稿準備中

1, Physics

• 超高エネルギー空気シャワーを正しく理解するための LHC 加速器による 0 度方向断面積決定

• Lab 系で 1017eV の陽子陽子衝突• 中性粒子（ γ 、 n 、 γ pair からの π0 ）の測定 • 既存モデルの有意な判定 ( 図 )

　⇒新モデル構築のための高精度断面積データ• 断面積絶対値は他測定に依存 ( 時間があれば最

後にコメント )

モデル弁別

2, Detector Concept

• LHC における 0 度測定環境• Detector への要求　－ Aperture （空間的制限）によるコンパクト

化　－多重度軽減のためのコンパクトカロリーメー

ター　－イメージングカロリーメーター　　　（多重イベント同定、もれ補正、　　　　運動量決定、 invariant mass reconstruction ）

Installation Slot & Aperture

interaction point 1140m

96mm

Beam pipe

TAN (Neutral absorber)上から装置を差し込める

2ndary charged

2ndary neutral

Installation Slot & Aperture

interaction point 1140m

96mm

Beam pipe

TAN (Neutral absorber)上から装置を差し込める

flux peak 1

flux peak 2

IP 側から見た断面図

Double tower imaging calorimeter

•　２つの独立な小型カロリーメータ (tower) の使用 (<5% resolution)　　－ 1 tower への multi hit 事象の低減　　－ 2 tower への同時事象から π0→2γ を検出可能　　－タングステンとプラスチックシンチレータによるサンプリングカロリーメーター　　　　　　（タングステン　 1r.l.=3.5mm, モリエール半径 9mm ）

•　位置検出層による imaging 化 (<0.2mm resolution)　　－イベントごとの Pt 測定　　－ π0 invariant mass 構成による π0 　断面積測定　　－シャワー粒子もれ補正

3, The LHCf Detectors

• Double arm detectors

　　 redundancy 、 BG 除去、 aperture 特性の違い、

　　読み出し方法の違い• Calorimeter

　　 compact で wide dynamic range

• SciFi, silicon strip detector

• Manipulator

Double Arm Detectors

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

Aperture

Arm#2 DetectorCrossing angle 0 で aperture 最大

Arm#1 DetectorNon zero crossing angle + 縦移動で aperture 最大

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　 Robust & Low-tech

全て 200m 先の control room から制御が必要

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

Calorimeter デザインのポイント

• 7TeV shower max ( 約 70,000 particle) まで極力線形出力が得られること

　－線形領域の広い PMT とブリーダーの改造　－少光量・低ゲインでのオペレーション　－時定数の遅いシンチレーター• 1 particle calibration ができること　－あまり少光量ではだめ• Wide dynamic range での線形性を calibration

できること　－ PMT サチュレーションは波形に依存するので、 LED

ではだめ

Scintillator & PMT

Plastic scintillatorEljen Technology, EJ-260発光時定数 9.6ns ( 遅い発光で PMT のサチュレーションを緩和 )

PMTHAMAMATSU R7400U17mmφ5% linearity <30mAデバイダ改造で dynamic range 拡張

Laser CalibrationWide dynamic range(7TeV shower peak で 70,000 particle 　相当。かつ、 1MIP も見たい ) でのリニアリティーをどう確保するか

－粒子線による試験は不可能－ LED も不可

－ 337nm 紫外レーザー ( 宇翔 KEN1020 ； 0.3nsec pulse)によるシンチレータ励起。シンチレータ発光を ND フィルターで減光し dynamic range を確保。 0.3nsec<<9.6nsec のため、粒子による励起と同じ波形を示す。－粒子数（ energy deposit ）への換算は beam test で行う。

紫外レーザーによる

dynamic rangelinearity calibration

位置検出器 1(SciFi & MAPMT)

SciFi Kuraray SCSF-38, 1mm□MAPMT HAMAMATSU H7546 (64anode)Front End Circuit (analog ASIC, VA chip) developed for BETS, CALET

位置検出器 2(Silicon strip & Hibrid)

80μm ピッチ（読み出しは 160μm ごと）285μm 厚 Si + 500μm AlPACE3 chip developed by CMS (shaping amp + analog memory)イタリア、フィレンツェ大が担当

4, Calibration

• Laser calibration (relative calibration) 　済• Absolute calibration at SPS

• Energy resolution

• Position resolution

• Radiation damage

Beam test @ CERN SPS

ADAMO

Detector

Trigger Scintillator

DAQ

p,e-,mu

Detector(Arm#1 or Arm#2)

Calorimeter

Silicon Tracker (ADAMO)

Trigger ScintillatorMoving Table

electron (50-200GeV), proton (150-350GeV), muon (100-150GeV)proton + C target -> π0 -> γ + γ

Energy Calibration

150GeV electron に対してデータと MC から ADC/dE 係数をチャンネル毎に算出

左記係数でミューオンデータを比較（ゲインの違いはレーザーキャリブレーションの結果を利用）

Energy Resolution

← low gain; 7TeV までの測定用← high gain; 低エネルギー側の　　　　　　　　　　　　　　精密測定用

High, low gain ともに ＞ 100GeV で ＜ 5% を達成MC と実験の差は noise (pedestal fluctuation) で説明可能　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（上図では考慮してない）

Position Resolution

X-position (mm)

σ= 0.172 (mm)

Lateral 分布からシャワーコアの位置を求め、粒子入射位置とのずれを求める (SPS の場合 )200GeV 電子について• SciFi　　 0.16-0.17mm • Silicon 0.05mm

Radiation damage

31302928

log10(Luminosity)

LHCf operation

3 days

Radiation Damage Test

Laser Monitor

Plastic scinti に ファイバーをさし、レーザー光を導入シンチ出力をモニタしダメージ分を補正

５ , LHCf operation

• Radiation damage 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 に条件で測定• 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）

• 将来の原子核衝突での測定

6, Absolute Cross Section• R = σL : definition of L• R は観測量• L= f n1n2/(4πσxσy) : beam 情報が完全にわ

かっていれば計算可能　（～ 10% ）• σ が既知の事象 (Z, W production) の計数率

から L を計算 (high L で ATLAS が実施 )• LHCf 運転時に ATLAS との同時事象を記

録しておき、後から LHCf 運転時の L を計算する　（～ 1%? ）

• TOTEM, ATLAS Roman Pot が σtot を測定

backup

Leak correction

(MC)

Leak correction (experiment)