LHCf. Misura della sezione d urto di produzione di π 0 nella regione very forward a LHC Energia equivalente nel laboratorio ev

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1 LHCf Misura della sezione d urto di produzione di π 0 nella regione very forward a LHC Energia equivalente nel laboratorio ev Fisica di LHCf Descrizione dell apparato proposto Il contributo INFN Risultati di simulazione e test beam Oscar Adriani INFN Sezione di Firenze - Dipartimento di Fisica dell Università degli Studi di Firenze

2 La collaborazione LHCf O. Adriani (1), L. Bonechi (1), M. Bongi (1), R. D Alessandro (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), Y. Obata (6), P. Papini (1), T. Sako (4), T. Tamura (6), K. Tanaka (6), S. Torii (7), A. Tricomi (8), W.C. Turner (9), J. Velasco (2), K. Yoshida (6) (1) INFN and 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) INFN and Università di Catania, Italia (9) LBNL, Berkeley, California, USA LHC at CERN France 4.3 km Switzerland Collaborazione UA7 all SPS (E Lab = ev)

3 Quali sono i principali problemi della fisica dei Raggi Cosmici di Alta Energia (E>10 15 ev)? 1. Composizione X max (g/cm 2 ) 2. Spettro / GZK Cutoff Energy (ev)

4 Gli eventi di energia estrema GZK cutoff: super GZK events?!? ev 20 ev Correzione del 15% sulla scala assoluta di energia

5 Sviluppo degli sciami atmosferici Simulazione di uno sciame dovuto a un protone di ev Il contributo dominante al flusso di energia viene dalla regione very forward (θ 0) In questa regione le misure di sezioni d urto di produzione di pioni disponibili a più alta energia sono quelle della collaborazione UA7 (E=10 14 ev, y = 5 7) θ y = ln tan 2

6 Sviluppo longitudinale degli sciami DPMJET (3.03) QGSJET Ad-hoc x = cm p p * l * MAX 50% di discrepanza Livello del mare La misura diretta della sezione d urto di produzione di π in funzione di p T (x cm ) è essenziale per stimare correttamente l energia dei RC primari

7 Riassumendo LHC La calibrazione dei modelli ad alta energia è necessaria Proposta di usare LHC, la macchina a più alta energia 7 TeV + 7 TeV protoni 14 TeV nel centro di massa =10 17 E lab =10 17 ev ev (E lab = E 2 cm /2 m P ) LHCf coprirà la parte very forward IP1 (Atlas) o IP8 (LHCB) Collisioni Pb-Pb???? LHCf è un tool per calibrare la simulazione

8 2 rivelatori indipendenti su entrambi i lati di IPX Detector I Tungsteno Scintillatori Fibre scintillanti PUNTO DI INTERAZIONE IP1 (ATLAS) o IP8 (LHCb) Detector II Tungsteno Scintillatore Silicon µstrips 140 m 140 m Beam line I rivelatori devono misurare energia e punto di impatto dei γ dal decadimento dei π 0 Calorimetri e.m. con layers sensibili alla posizione

9 I Calorimetri saranno installati nella regione della TAN, 140 m dal punto di interazione, di fronte ai Luminosity monitors La Beam Pipe si splitta in due pipes separate Particelle cariche eliminate! Copertura fino a y->

10 8X 0 10X 0 34X 0 Detector #1 3 torri con la stessa struttura longitudinale ma con differenti dimensioni trasversali Dimensioni max ( ) mm 3 Beam Thinner sampling Thicker sampling Scintillatori Trigger e misura del profilo longitudinale di energia: : 3 mm plastic scintillator Assorbitore 20 layers di tungsteno, con spessori differenti (7 mm 14 mm) (W: X 0 = 3.5mm, R M = 9mm) Fibre scintillanti 3 doppi strati di fibre 1 mm 2 per misurare il profilo trasversale dello sciame

11 Detector #1: proiezione trasversale Fibre Scintillanti Fibre WLS per il readout degli scintillatori plastici Hamamatsu MA-PMT per fibre scintillanti PMTs per fibre WLS y cm Grazie alla regione speciale tra le 2 beam pipes 4cm 3cm y 8.5 Range di rapidità BEAM CENTER 2cm y 9.9 y

12 Perché questa strana 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 γ prodotti da un π 0 per una migliore ricostruzione dell energia e della direzione del π 0

13 6.4 cm 6.4 cm Silicon W + Sci 4 cm 3 cm 2 cm Detector #2 Contributo INFN Beam center SciFi rimpiazzate da silicon µstrips detectors 64x64 mm 2 Pitch 80 µm 3 double layers (x-y) 1 double layer di fronte al calorimetro

14 Perché queste differenze? Vantaggi dei Silicon µstrips: Misura del punto di impatto Selezione di eventi puliti (1 γ) Ricostruzione della massa invariante del π 0 (energy calibration) Geometria diversa: Differenti sistematiche Diversa accettanza Importante per ambiente sconosciuto (LHC background????) Data taking comune!!! (fisica diffrativa)

15 Accettanza geometrica del Detector #1: La posizione deve essere ben conosciuta I calorimetri possono essere spostati in verticale per coprire tutto il range di rapidità Il detector #2 ha un accettanza molto più uniforme!!!

16 Silicon µstrips readout Pace3 chips (Grazie a CMS preshower!!!!) 32 canali 25 ns peaking time Grande range dinamico(> 400 MIP) 192x32 analog pipeline

17 Signal response in low gain Line 1 Line 2 Line 3 Line 4 Charge injected: Line 1 ~ 500 fc Line 2 ~ 1000 fc Line 3 ~ 1500 fc Line 4 ~ 2000 fc ADC Counts MIP = 3.5 fc Rise Time (10% - 90%) ns 500 Peaking time ns Time (ns)

18 Linearity MIPs 400 MIPs 600 MIPs y = x V (mv) GAIN 0.43 mv/mips 1 MIP = 3.5 fc difference = 6% Charge (fc)

19 Che performances ci aspettiamo da LHCf? Counting rate per γ Risoluzione energetica Massima energia misurabile Counting rate per π 0 Identificazione/reiezione dei neutroni Regioni cinematiche coperte... Simulazione Test Beam 2 simulazioni indipendenti: a) programma custom (Japan) b) Fluka (Italy)

20 Longitudinal shower profile (γ/n)( Fluka E possibile misurare l energia dei neutroni??? 1 TeV γ fully contained

21 Single γ detection 1 γ con 100 GeV<E<1 TeV ogni 15 interazioni di LHC (<100 µsec) 1 γ con E > 1 TeV ogni 50 interazioni di LHC Alcune ore di data taking a L=10 29 cm -2 s -1 dovrebbero essere sufficienti

22 2 fotoni dal decadimento del π 0 2 γ in 2 torri diverse 1 π o con E>1 TeV ogni 1000 interazioni di LHC (<10 ms) Calibrazione assoluta di energia!!!!

23 Fluka

24 500 GeV γ in SciFi and Silicon L = p ( x p ) p p4 Fluka

25 Risoluzione spaziale per i fotoni Detector # 2 (silicon) 80 Spatial resolution( µ) µm 15 µm Energy (GeV) Risoluzione delle fibre 500 µm

26 Massa invariante del π 0 SciFi Silicon µstrips σ=3.1 MeV σ=2.0 MeV M(π 0 ) M(π 0 )

27 Effetto della saturazione del preamplificatore Saturazione=400 MIPS (nella realtà molto meglio ) Massimo del segnale in una strip Energia fotone (GeV) Risoluzione senza saturazione (µm) Risoluzione con saturazione (µm)

28 Risultati del test beam Necessario per verificare la simulazione (torre piccola 2x2 cm 2!!!) SPS-H4 Luglio-Agosto Torri (2 2 and 4 4)cm 2 + Tracking system per determinare il punto di impatto sulle torri ELETTRONI (50 250) GeV/c PROTONI ( ) GeV/c MUONI (150) GeV/c x-y Scan (Per studiare le sistematiche al variare della distanza dal bordo)

29 Scintillating Fibers Scintillators plane

30 Calorimeter (Japan) Tracking System (INFN Firenze -Pamela)

31 Correzioni per leakage MC Predice una leakage indipendente dall energia! Test Beam N Particles Monte Carlo Distanza dal bordo correction

32 Risoluzione energetica

33 Sharing delle responsabilità Detector #1: interamente a carico dei gruppi giapponesi Detector #2: Tungsteno, Scintillatori, PM e meccanica: Giappone 4 double layers di silicio con elettronica: INFN Power supply per silici: INFN ADC VME per scintillatori: Giappone/INFN HV Power supply per PM: Giappone/INFN Detector # 1 Detector # 2 Tungsten Japan Japan Mechanics Japan Japan Plastic Scintillators Japan Japan Scintillating fibers Japan Silicon sensors INFN Photomultipliers for scintillators Japan Japan Multianode photomultipliers for fibers Japan Preamplifiers for silicon INFN Hybrid and Kapton for silicon INFN Readout electronics for fibers (VA based) Japan Readout electronics for silicon INFN VME Interface board for fibers Japan VME Interface board for silicon INFN Detector # 1 Detector # 2 VME ADC boards for scintillators Japan/INFN Japan/INFN VME crate Japan INFN Low voltage Power Supply Japan INFN High voltage Power Supply for scintillators Japan Japan/INFN High voltage Power Supply for fibers Japan

34 Composizione del gruppo di ricerca Sezione di Firenze: Adriani Oscar P.A. 50% Bonechi Lorenzo Ass. 20% Bongi Massimo Dott. 100% D Alessandro Raffaello P.A. 30% Papini Paolo Ric. INFN 30% Grandi Mauro Tecnico 40% Sezione di Catania: Tricomi Alessia Ric. Univ. 30% RFTE: 2.6 TTTE: 0.4

35 Richieste Catania: MI: ME: Consumi: 1 ke 3.7 ke 1 ke Firenze:

36 LHCf - schedule Esperimento approvato in Giappone nel framework dello studio degli UHECR (TA) Maggio 2004: LETTER OF INTENT a LHC Committee (LHCC) Esperimento approvato da LHCC (con richiesta di test beam) I prossimi passi: Ottobre 2005: Technical Design Report a LHCC 2006: Costruzione dei 2 detectors Aprile 2007: Data taking a LHC

37 Multiple events/energy contamination

38 M ~ 2-3 MeV

39 Rivelazione dei fotoni singoli Porzione dello spettro in P T dei fotoni misurabile da LHCf per vari range di energia

40 Misure di energia e risoluzione energetica 1 1. Linearità fino a > TeV 2. E/E ~ 2% 3. 15% energy 2 mm dal bordo (torre piccola) 3 Custom 2 Fluka

41 Profilo longitudinale degli sciami 200GeV/c electron fully contained 200GeV/c electron partially contained 50GeV/c electron fully contained 350GeV/c proton

42 E=10 19 ev protons, Fe

43 Double hit separation