INTRODUZIONE LA FISICA DI LHCf L APPARATO SPERIMENTALE STUDIO E SIMULAZIONE DEL RIVELATORE TEST AL CERN (LUGLIO/AGOSTO 2004) CONCLUSIONI

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1 LHCf: un esperimento per la fisica dei raggi cosmici ad LHC Studio delle sezioni d urto di produzione di pioni neutri nella regione very forward ad un energia equivalente di ev nel laboratorio INTRODUZIONE LA FISICA DI LHCf L APPARATO SPERIMENTALE STUDIO E SIMULAZIONE DEL RIVELATORE TEST AL CERN (LUGLIO/AGOSTO 2004) CONCLUSIONI Oscar Adriani INFN Sezione di Firenze - Dipartimento di Fisica dell Università degli Studi di Firenze Padova - 29 Giugno 2005 L esperimento LHCf SLIDE 1

2 La Collaborazione LHCf O. 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 France 4.3 km Switzerland Deriva dalla collaborazione CERN UA7 che ha effettuato uno studio della produzione di γ e π 0 a basso angolo (E = ev nel laboratorio) Padova - 29 Giugno 2005 L esperimento LHCf SLIDE 2

3 Stato conoscitivo dei raggi cosmici primari Composizione, origine e accelerazione... PROFONDITA DEL MASSIMO DELLO SCIAME ENERGIA DEL RC PRIMARIO GZK cutoff: ev 20 ev Padova - 29 Giugno 2005 L esperimento LHCf SLIDE 3

4 Gli eventi di energia estrema (HiRes e AGASA) GZK cutoff: ev 20 ev AGASA vs HiRes super GZK events?!? Dopo correzione del 15% sulla scala assoluta di energia!!! Padova - 29 Giugno 2005 L esperimento LHCf SLIDE 4

5 Sviluppo di sciami atmosferici Simulazione di uno sciame atmosferico iniziato da un protone di ev. Il contributo predominante al flusso di energia è nella regione very forward (θ = 0) Le misure a più alta energia (E=10 14 ev) di sezione d urto di θ produzione di pioni neutri in regione di alta rapidità ( y = ln tan 2, y = 5 7) sono quelle di UA7 LHCf consente di estendere le misure fino a E lab =10 17 ev (energia equivalente nel s.d.r. del laboratorio, E lab = E 2 cm (LHC)/2 m P ) Padova - 29 Giugno 2005 L esperimento LHCf SLIDE 5

6 Studio dello sviluppo degli sciami atmosferici Non 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) x = cm p p * l * MAX Fattore 2 di discrepanza Livello del mare Necessità di misurare direttamente la sezione d urto di produzione di pioni in funzione di P T (x cm ) per stimare correttamente l energia del Raggio Cosmico primario Padova - 29 Giugno 2005 L esperimento LHCf SLIDE 6

7 Metodo sperimentale proposto Installazione di un Calorimetro Elettromagnetico per rivelare i π 0 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 (ATLAS) e IR8 (LHCb) interno: 95mm Padova - 29 Giugno 2005 L esperimento LHCf SLIDE 7

8 La regione della TAN È l assorbitore per le particelle neutre che provengono dalla regione di interazione ed è alloggiato all interno della recombination chamber recombination chamber : è la regione in cui il tubo a vuoto si divide per guidare separatamente pp 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) Un apertura nel coperchio superiore permette di inserire o estrarre il contenuto agendo dall alto Padova - 29 Giugno 2005 L esperimento LHCf SLIDE 8

9 L apparato sperimentale di LHCf Il rivelatore proposto dal gruppo giapponese (di cui già esiste un prototipo funzionante) consiste in un calorimetro elettromagnetico suddiviso in tre sezioni: Tre torri con identica struttura nella direzione di moto delle particelle, ma con dimensioni trasversali diverse Dimensioni max ( ) mm 3 Il calorimetro dovrebbe sostituire tre spessori di rame di 10 cm Padova - 29 Giugno 2005 L esperimento LHCf SLIDE 9

10 Struttura del rivelatore: sezione trasversale Fibre scintillanti per il tracciamento dei profilo trasversale degli sciami Hamamatsu MA-PMT per le fibre scintillanti PMTs per i layer di scintillatore 4cm y 7.8 Fibre per il readout degli scintillatori usati per campionare il profilo longitudinale degli sciami 3cm 2cm y 8.5 y 9.9 BEAM CENTER Intervallo di rapidità accessibile Padova - 29 Giugno 2005 L esperimento LHCf SLIDE 10

11 Motivazioni per la scelta della geometria 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. 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 Padova - 29 Giugno 2005 L esperimento LHCf SLIDE 11

12 Struttura longitudinale del rivelatore Assorbitore 20 strati di tungsteno, di spessore variabile (3.5 mm 7 mm) (W: X 0 = 3.5mm, R M = 9mm) Scintillatori Sistema di trigger e misura dell energia energia rilasciata dallo sciame a varie profondità nel calorimetro Fibre scintillanti Determinazione del profilo spaziale dello sciame con fibre di 1 mm 2 Padova - 29 Giugno 2005 L esperimento LHCf SLIDE 12

13 Installazione di due rivelatori indipendenti Detector I Tungsteno Scintillatore Fibre scintillanti INTERACTION POINT IP1 (ATLAS) or IP8 (LHCb) Detector II Tungsteno Scintillatore Piani di silicio ~110m/140m ~110m/140m Beam line Padova - 29 Giugno 2005 L esperimento LHCf SLIDE 13

14 Installazione di due rivelatori indipendenti 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 14

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 15

16 Perche i silici? Migliore precisione nella ricostruzone del punto di impatto dei fotoni Migliore selezione di eventi puri (1 γ) Migliore ricostruzione della massa del π 0 (calibrazione in energia!) Contenimento trasversale degli sciami Padova - 29 Giugno 2005 L esperimento LHCf SLIDE 16

17 SIMULAZIONE DEL CALORIMETRO Due simulazioni indipendenti: a) programma custom (Giappone) b) Fluka (Firenze) Cross check dei risultati! Padova - 29 Giugno 2005 L esperimento LHCf SLIDE 17

18 Sviluppo degli eventi nel calorimetro 54 r.l. INCIDENT γ - RAY SCIAME PRODOTTO DA UN RAGGIO GAMMA DI ALTA ENERGIA: IL RILASCIO DI ENERGIA È LIMITATO AI PRIMI SCINTILLATORI, PERCHÉ LO SCIAME SI ESAURISCE IN POCHE LUNGHEZZE DI RADIAZIONE QUESTA REGIONE È INTERESSATA IN PREVALENZA DAI RILASCI DI ENERGIA DOVUTI AD EVENTI DI MUONI O ADRONI Padova - 29 Giugno 2005 L esperimento LHCf SLIDE 18

19 DISCRIMINAZIONE DI PARTICELLE Padova - 29 Giugno 2005 L esperimento LHCf SLIDE 19

20 Profilo longitudinale degli sciami (γ/n) Fluka Padova - 29 Giugno 2005 L esperimento LHCf SLIDE 20

21 Rivelazione dei singoli fotoni Porzione dello spettro in P T dei fotoni di diversa energia osservabili con LHCf Padova - 29 Giugno 2005 L esperimento LHCf SLIDE 21

22 Rivelazione dei singoli fotoni ~ 0.1 γ con E>100 GeV per ogni interazione Alcune ore di presa dati con L=10 29 cm -2 s -1 dovrebbero essere sufficienti Padova - 29 Giugno 2005 L esperimento LHCf SLIDE 22

23 Eventi multipli/contaminazione in energia Custom Padova - 29 Giugno 2005 L esperimento LHCf SLIDE 23

24 Simulazioni: ricostruzione dell energia energia dei γ e risoluzione 2 mm dal bordo: perdita 15% di energia (correggibile!) Custom Fluka Padova - 29 Giugno 2005 L esperimento LHCf SLIDE 24

25 Rivelazione dei 2 fotoni del decadimento del π 0 Padova - 29 Giugno 2005 L esperimento LHCf SLIDE 25

26 Fluka Padova - 29 Giugno 2005 L esperimento LHCf SLIDE 26

27 Fluka Padova - 29 Giugno 2005 L esperimento LHCf SLIDE 27

28 Fluka Padova - 29 Giugno 2005 L esperimento LHCf SLIDE 28

29 Padova - 29 Giugno 2005 L esperimento LHCf SLIDE 29

30 Il prototipo del calorimetro PIANI DI FIBRE SCINTILLANTI PIANI DI SCINTILLATORE IL SISTEMA COMPLESSIVO Padova - 29 Giugno 2005 L esperimento LHCf SLIDE 30

31 LHCf - schedule ESPERIMENTO APPROVATO DA Ministery of Education IN GIAPPONE nell ambito dello studio dei RC di altissima energia (TA) 4 MAGGIO 2004: LETTER OF INTENT a LHC Committee (LHCC) ESPERIMENTO APPROVATO DA LHCC RICHIESTI DA LHCC: 1) BEAM TEST per lo studio della risoluzione energetica del rivelatore (definizione della regione fiduciale) 2) simulazione per lo STUDIO DEI FONDI di macchina 3) TECHNICAL DESIGN dell apparato completo TEST AL CERN (SPS) EFFETTUATO IN LUGLIO/AGOSTO 2004 (misurata la risoluzione in energia per elettroni fino a 200 GeV; misurati inoltre adroni e muoni) Padova - 29 Giugno 2005 L esperimento LHCf SLIDE 31

32 TEST SU FASCIO LUGLIO - AGOSTO 2004 SPS-H4 2 TORRI (2 2 e 4 4)cm 2 + SISTEMA TRACCIANTE (telescopio di test sviluppato per PAMELA) MISURE DI ELETTRONI MISURE DI PROTONI MISURE DI MUONI (50 250) GeV/c ( ) GeV/c (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 32

33 Le facce di LHCf - SPS H4, Lug-Ago 2004 EM Calorimeter K.Kasahara K.Masuda S.Torii Si Tracker T.Sako T.Tamura K.Yoshida Y.Obata K.Tanaka O.Adriani L.Bonechi M.Bongi M.Haguenauer W.Turner Padova - 29 Giugno 2005 L esperimento LHCf SLIDE 33

34 Calorimetro (Japan) Gli apparati in esame Sistema tracciante (INFN Firenze -Pamela) Padova - 29 Giugno 2005 L esperimento LHCf SLIDE 34

35 Schema del rivelatore tracciante utilizzato per il test preliminare del x φ O z θ Particella incidente y Rivelatori a microstrisce di silicio Padova - 29 Giugno 2005 L esperimento LHCf SLIDE 35

36 Ricostruzione del punto di impatto sul piano centrale (z = 0) Presa dati complessiva in varie posizioni (cm) (cm) Presa dati in una singola posizione (in µm) (cm vs cm) (cm vs cm) Padova - 29 Giugno 2005 L esperimento LHCf SLIDE 36

37 Ricostruzione della traiettoria: distribuzioni di sin(θ) ) e φ θ 1.4º φ 185.5º θ 2.2º Padova - 29 Giugno 2005 L esperimento LHCf SLIDE 37

38 Risultati del test: profilo longitudinale degli sciami 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 38

39 Risultati del test del calorimetro: risoluzione energetica Elettroni 200 GeV Padova - 29 Giugno 2005 L esperimento LHCf SLIDE 39

40 Conclusioni Settembre: LHCC Settembre: Commissione 1 INFN 2006: costruzione dei 2 detectors e test su fascio 2007: presa dati a LHC!!!! Padova - 29 Giugno 2005 L esperimento LHCf SLIDE 40