Assisi - 24 Settembre 2004Presentazione dell’esperimento LHCf L’esperimento LHCf ad LHC Oscar Adriani INFN Sezione di Firenze - Dipartimento di Fisica.

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1 Assisi - 24 Settembre 2004Presentazione dell’esperimento LHCf L’esperimento LHCf ad LHC Oscar Adriani INFN Sezione di Firenze - Dipartimento di Fisica dell’Università degli Studi di Firenze  INTRODUZIONE  LA FISICA DI LHCf  L’APPARATO SPERIMENTALE  STUDIO E SIMULAZIONE DEL RIVELATORE  TEST AL CERN (LUGLIO/AGOSTO 2004)  IL POSSIBILE CONTRIBUTO INFN Studio delle sezioni d’urto di produzione di pioni neutri nella regione “ very forward ” ad un’energia equivalente di 10 17 eV nel laboratorio

2 Assisi - 24 Settembre 2004Presentazione dell’esperimento LHCf La Collaborazione LHCf O. Adriani(1), L. Bonechi(1), M. Bongi(1), A. Faus(2), M. Haguenauer(3), K. Kasahara(4), K. Masuda(5), Y. Matsubara(5), Y. Muraki(5), Y. Obata(5), T. Sako(5), T. Tamura(6), K. Tanaka(5), S. Torii(6), W.C. Turner(7), 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) Shibaura Inst. of Techn., Saitama, Japan (5) STE laboratory, Nagoya University, Japan (6) Kanagawa University, Yokohama, Japan (7) LBNL, Berkeley, California, USA LHC at CERN SwitzerlandFrance 4.3 km Deriva dalla collaborazione CERN UA7 che ha effettuato uno studio della produzione di  e  0 a basso angolo (E = 10 14 eV nel laboratorio)

3 Assisi - 24 Settembre 2004Presentazione dell’esperimento LHCf Stato conoscitivo dei raggi cosmici primari Composizione, origine e accelerazione... GZK cutoff: 10 20 eV PROFONDITA DEL MASSIMO DELLO SCIAME ENERGIA DEL RC PRIMARIO

4 Assisi - 24 Settembre 2004Presentazione dell’esperimento LHCf Gli eventi di energia estrema (HiRes e AGASA) GZK cutoff: 10 20 eV AGASAvsHiRes super GZK events?!? Dopo correzione del 15% sulla scala assoluta di energia!!!

5 Assisi - 24 Settembre 2004Presentazione dell’esperimento LHCf Il contributo predominante al flusso di energia è nella regione “ very forward ” (  = 0) Le misure a più alta energia (E=10 14 eV) di sezione d’urto di produzione di pioni neutri in regione di alta rapidità (, y = 5÷7) sono quelle di UA7 E lab =10 17 eV 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 ) Sviluppo di sciami atmosferici Simulazione di uno sciame atmosferico iniziato da un protone di 10 19 eV.

6 Assisi - 24 Settembre 2004Presentazione dell’esperimento LHCf 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) 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 Livello del mare Fattore 2 di discrepanza

7 Assisi - 24 Settembre 2004Presentazione dell’esperimento LHCf 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) ATLASLHCb Possibilità di utilizzare le regioni di interazione IR1 (ATLAS) e IR8 (LHCb) Metodo sperimentale proposto interno: 95mm

8 Assisi - 24 Settembre 2004Presentazione dell’esperimento LHCf È l’assorbitore per le particelle neutre che provengono dalla regione di interazione ed è alloggiato all’interno della recombination chamber La regione della TAN recombination chamber : è la regione in cui il tubo a vuoto si divide per guidare separatamente pp Un’apertura nel coperchio superiore permette di inserire o estrarre il contenuto 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)

9 Assisi - 24 Settembre 2004Presentazione dell’esperimento LHCf Il rivelatore proposto sinora dal gruppo giapponese (di cui già esiste un prototipo funzionante) consiste in un calorimetro elettromagnetico suddiviso in tre sezioni: L’apparato sperimentale di LHCf Tre torri con identica struttura nella direzione di moto delle particelle, ma con dimensioni trasversali diverse Dimensioni max (90 × 335 × 290) mm 3 Il calorimetro dovrebbe sostituire tre spessori di rame di 10 cm LA GEOMETRIA SELEZIONATA È DETERMINATA DALLA RISTRETTEZZA DELLO SPAZIO A DISPOSIZIONE NELLA TAN!!

10 Assisi - 24 Settembre 2004Presentazione dell’esperimento LHCf Struttura del rivelatore: sezione trasversale Hamamatsu MAPMT per fibre scintillanti PMTs per scintillatori 4cm 3cm 2cm BEAM CENTER y ≈ 9.9 y ≈ 8.5 y ≈ 7.8 Fibre scintillanti Fibre per readout di scintillatori Range di rapidità

11 Assisi - 24 Settembre 2004Presentazione dell’esperimento LHCf Assorbitore 50 strati di tungsteno, ciascuno di 3.5 mm di spessore (W: X 0 = 3.5mm, R M = 9mm) Scintillatori Sistema di trigger e misura dell’energia rilasciata dallo sciame a varie profondità nel calorimetro Fibre scintillanti Determinazione del profilo spaziale dello sciame con fibre di 1 mm (diametro) Struttura longitudinale del rivelatore

12 Assisi - 24 Settembre 2004Presentazione dell’esperimento LHCf SIMULAZIONE DEL CALORIMETRO La simulazione presentata è stata effettuata dai gruppi di ricerca giapponesi (programma ‘custom’)

13 Assisi - 24 Settembre 2004Presentazione dell’esperimento LHCf Sviluppo degli eventi nel calorimetro SCIAME PRODOTTO DA UN RAGGIO GAMMA DI ALTA ENERGIA 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 INCIDENT γ - RAY 54 r.l.

14 Assisi - 24 Settembre 2004Presentazione dell’esperimento LHCf Conteggio dei secondari prodotti dai γ

15 Assisi - 24 Settembre 2004Presentazione dell’esperimento LHCf DISCRIMINAZIONE DI PARTICELLE

16 Assisi - 24 Settembre 2004Presentazione dell’esperimento LHCf Porzione dello spettro in P T dei fotoni di diversa energia osservabili con LHCf Rivelazione dei singoli fotoni

17 Assisi - 24 Settembre 2004Presentazione dell’esperimento LHCf ~0.1  con E>100 GeV per ogni interazione Rivelazione dei singoli fotoni Alcune ore di presa dati con L=10 29 cm -2 s -1 dovrebbero essere sufficienti

18 Assisi - 24 Settembre 2004Presentazione dell’esperimento LHCf Rivelazione dei 2 fotoni del decadimento del  0 ( ) cm 2

19 Assisi - 24 Settembre 2004Presentazione dell’esperimento LHCf Eventi multipli/contaminazione in energia

20 Assisi - 24 Settembre 2004Presentazione dell’esperimento LHCf Simulazioni: ricostruzione dell’energia dei γ e risoluzione

21 Assisi - 24 Settembre 2004Presentazione dell’esperimento LHCf Il prototipo del calorimetro PIANI DI FIBRE SCINTILLANTI PIANI DI SCINTILLATORE IL SISTEMA COMPLESSIVO

22 Assisi - 24 Settembre 2004Presentazione dell’esperimento LHCf 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)  4 MAGGIO 2004: LETTER OF INTENT a LHC Committee (LHCC)  ESPERIMENTO APPROVATO DA LHCC  RICHIESTI DA LHCC ENTRO METÀ DEL 2005 : 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)

23 Assisi - 24 Settembre 2004Presentazione dell’esperimento LHCf TEST SU FASCIO LUGLIO - AGOSTO 2004 ELETTRONI PROTONI MUONI  SPS-H4 2 TORRI (2×2 e 4×4)cm 2 + SISTEMA TRACCIANTE (telescopio di test sviluppato per PAMELA) MISURE DI ELETTRONI(50÷250) GeV/c MISURE DI PROTONI(150÷350) GeV/c MISURE DI MUONI(150) GeV/c SCAN x-y DEL RIVELATORE ( STUDIO DELLE DIPENDENZE DALLA DISTANZA DAL BORDO DEL CALORIMETRO )

24 Assisi - 24 Settembre 2004Presentazione dell’esperimento LHCf T.Sako K.Tanaka K.Yoshida Y.Obata T.Tamura O.Adriani L.Bonechi W.TurnerM.Haguenauer M.Bongi S.Torii K.Masuda K.KasaharaEM Calorimeter Si Tracker Le facce di LHCf - SPS H4, Lug-Ago 2004

25 Assisi - 24 Settembre 2004Presentazione dell’esperimento LHCf Gli apparati in esame Sistema tracciante (INFN Firenze -Pamela) Calorimetro (Japan)

26 Assisi - 24 Settembre 2004Presentazione dell’esperimento LHCf Risultati del test: profilo longitudinale degli sciami 200GeV/c electron fully content 200GeV/c electron partially content 50GeV/c electron fully content350GeV/c proton

27 Assisi - 24 Settembre 2004Presentazione dell’esperimento LHCf Effetto distorsivo sulla ricostruzione dell’energia dovuto al mancato contenimento dello sciame (uscita dalle pareti laterali del calorimetro) DISTANZA DAL BORDO (mm) Risultato dopo la correzione per l’effetto di leakage. La correzione risulta efficace fino a circa 1.5 mm dal bordo Valore medio dell’energia ricostruita dopo la correzione (normalizzato a 200 GeV) RMS della distribuzione: Risoluzione energetica Risultati del test: risoluzione energetica Elettroni 200 GeV Raw Energy Corrected Energy Normalized mean energy RMS Preliminary!!!

28 Assisi - 24 Settembre 2004Presentazione dell’esperimento LHCf POSSIBILE CONTRIBUTO INFN  L’interesse scientifico per l’esperimento è legato alle attività di Gruppo 2 (Fisica dei raggi Cosmici) nelle quali il gruppo di Firenze è coinvolto (Wizard/Pamela, EUSO, attività future sulla Fisica del Ginocchio...)  Il gruppo di Firenze ha acquisito competenze tecnologiche su sistemi traccianti (Tracker di Pamela) e su tecniche di analisi e di simulazione per Raggi Cosmici 1)SVILUPPO DI UN SISTEMA TRACCIANTE DI RIVELATORI AL SILICIO:  MIGLIORE RICOSTRUZIONE SPAZIALE DEGLI SCIAMI (PUNTO DI IMPATTO)  VERIFICA DEL CONTENIMENTO DEGLI SCIAMI NEL RIVELATORE 2)REALIZZAZIONE DI UNA SIMULAZIONE COMPLETA SIA DEL RIVELATORE CHE DEI FONDI DI MACCHINA PER LO STUDIO DI FATTIBILITÀ DELL’ESPERIMENTO E PER LA SUA OTTIMIZZAZIONE 3) CONTATTI CON LHC E IL CERN

29 Assisi - 24 Settembre 2004Presentazione dell’esperimento LHCf IMPEGNI PER IL PROSSIMO FUTURO A)LA REALIZZAZIONE DELLA SIMULAZIONE RICHIEDE: 1) L’IMPEGNO DI DUE PERSONE PER LO STUDIO DELLA STRUTTURA DI LHC, CON NECESSITÀ DI SOGGIORNARE AL CERN PER QUALCHE SETTIMANA 2) PARTECIPAZIONE AL “2 nd FLUKA User Course” (HOUSTON, TEXAS, 10-14 GENNAIO 2005) B)LO SVILUPPO DI UN SISTEMA TRACCIANTE DI RIVELATORI AL SILICIO RICHIEDE (FASE DI PROTOTIPAGGIO): 1) LA PROGETTAZIONE E L’ACQUISTO DI SENSORI AL SILICIO E DI CHIPS PER IL READOUT, LA PRODUZIONE DI SCHEDE DI ACQUISIZIONE DATI 2) IL MANTENIMENTO DI CONTATTI CON I GRUPPI GIAPPONESI PER LO SVILUPPO PARALLELO DI CALORIMETRO E SISTEMA TRACCIANTE

30 Assisi - 24 Settembre 2004Presentazione dell’esperimento LHCf Richieste finanziarie 2005 A) MISSIONI  1 MESE UOMO DI TRASFERTA AL CERN = 4000 €  CONTATTI CON I GRUPPI GIAPPONESI. DUE VIAGGI DI DUE PERSONE PER UNA DURATA DI 7 GIORNI A VIAGGIO = 7000 € B)SVILUPPO DEL PROTOTIPO DEL RIVELATORE TRACCIANTE 1) ACQUISTO DI SENSORI PER UN PROTOTIPO DEL RIVELATORE, PER UN TOTALE DI 6000€ 2) ACQUISTO DI CHIP PER ELETTRONICA DI FRONT-END PER UN TOTALE DI 3000€ LE RICHIESTE SONO STATE FATTE SOTTO DOTA1

31 Assisi - 24 Settembre 2004Presentazione dell’esperimento LHCf

32 Assisi - 24 Settembre 2004Presentazione dell’esperimento LHCf

33 Assisi - 24 Settembre 2004Presentazione dell’esperimento LHCf