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Sesto Fiorentino - 29 Marzo 2004Presentazione dellesperimento LHCf Lesperimento LHCf ad LHC Oscar Adriani INFN Sezione di Firenze - Dipartimento di Fisica.

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1 Sesto Fiorentino - 29 Marzo 2004Presentazione dellesperimento LHCf Lesperimento LHCf ad LHC Oscar Adriani INFN Sezione di Firenze - Dipartimento di Fisica dellUniversità degli Studi di Firenze INTRODUZIONE INTRODUZIONE LA FISICA DI LHCf LA FISICA DI LHCf LAPPARATO SPERIMENTALE LAPPARATO SPERIMENTALE STUDIO E SIMULAZIONE DEL RIVELATORE STUDIO E SIMULAZIONE DEL RIVELATORE TEST AL CERN (LUGLIO/AGOSTO 2004) TEST AL CERN (LUGLIO/AGOSTO 2004) IL POSSIBILE CONTRIBUTO INFN IL POSSIBILE CONTRIBUTO INFN Studio delle sezioni durto di produzione di pioni neutri nella regione very forward ad unenergia equivalente di eV nel laboratorio

2 Sesto Fiorentino - 29 Marzo 2004Presentazione dellesperimento 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 = eV nel laboratorio)

3 Sesto Fiorentino - 29 Marzo 2004Presentazione dellesperimento LHCf Stato conoscitivo dei raggi cosmici primari Composizione, origine e accelerazione... GZK cutoff: eV PROFONDITA DEL MASSIMO DELLO SCIAME ENERGIA DEL RC PRIMARIO

4 Sesto Fiorentino - 29 Marzo 2004Presentazione dellesperimento LHCf Gli eventi di energia estrema (HiRes e AGASA) GZK cutoff: eV AGASAvsHiRes super GZK events?!? Dopo correzione del 15% sulla scala assoluta di energia!!!

5 Sesto Fiorentino - 29 Marzo 2004Presentazione dellesperimento 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 durto 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 eV.

6 Sesto Fiorentino - 29 Marzo 2004Presentazione dellesperimento 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 durto di produzione di pioni in funzione di P T (x cm ) per stimare correttamente lenergia del Raggio Cosmico primario Livello del mare Fattore 2 di discrepanza

7 Sesto Fiorentino - 29 Marzo 2004Presentazione dellesperimento LHCf Installazione di un Calorimetro Elettromagnetico per rivelare i π 0 prodotti nellinterazione 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 Sesto Fiorentino - 29 Marzo 2004Presentazione dellesperimento LHCf È lassorbitore per le particelle neutre che provengono dalla regione di interazione ed è alloggiato allinterno della recombination chamber La regione della TAN recombination chamber : è la regione in cui il tubo a vuoto si divide per guidare separatamente pp Unapertura nel coperchio superiore permette di inserire o estrarre il contenuto agendo dallalto 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 Sesto Fiorentino - 29 Marzo 2004Presentazione dellesperimento LHCf Il rivelatore proposto dal gruppo giapponese (di cui già esiste un prototipo funzionante) consiste in un calorimetro elettromagnetico suddiviso in tre sezioni: Lapparato 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

10 Sesto Fiorentino - 29 Marzo 2004Presentazione dellesperimento 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 Sesto Fiorentino - 29 Marzo 2004Presentazione dellesperimento LHCf 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 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 dellenergia e della direzione del 0

12 Sesto Fiorentino - 29 Marzo 2004Presentazione dellesperimento 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 dellenergia 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

13 Sesto Fiorentino - 29 Marzo 2004Presentazione dellesperimento LHCf SIMULAZIONE DEL CALORIMETRO La simulazione presentata è stata effettuata dai gruppi di ricerca giapponesi utilizzando un programma custom

14 Sesto Fiorentino - 29 Marzo 2004Presentazione dellesperimento 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.

15 Sesto Fiorentino - 29 Marzo 2004Presentazione dellesperimento LHCf Conteggio dei secondari prodotti dai γ

16 Sesto Fiorentino - 29 Marzo 2004Presentazione dellesperimento LHCf DISCRIMINAZIONE DI PARTICELLE

17 Sesto Fiorentino - 29 Marzo 2004Presentazione dellesperimento LHCf Porzione dello spettro in P T dei fotoni di diversa energia osservabili con LHCf Rivelazione dei singoli fotoni

18 Sesto Fiorentino - 29 Marzo 2004Presentazione dellesperimento 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

19 Sesto Fiorentino - 29 Marzo 2004Presentazione dellesperimento LHCf Rivelazione dei 2 fotoni del decadimento del 0 ( ) cm 2

20 Sesto Fiorentino - 29 Marzo 2004Presentazione dellesperimento LHCf Eventi multipli/contaminazione in energia

21 Sesto Fiorentino - 29 Marzo 2004Presentazione dellesperimento LHCf Simulazioni: ricostruzione dellenergia dei γ e risoluzione

22 Sesto Fiorentino - 29 Marzo 2004Presentazione dellesperimento LHCf Il prototipo del calorimetro PIANI DI FIBRE SCINTILLANTI PIANI DI SCINTILLATORE IL SISTEMA COMPLESSIVO

23 Sesto Fiorentino - 29 Marzo 2004Presentazione dellesperimento LHCf LHCf - schedule ESPERIMENTO APPROVATO DA Ministery of Education IN GIAPPONE nellambito dello studio dei RC di altissima energia (TA) ESPERIMENTO APPROVATO DA Ministery of Education IN GIAPPONE nellambito 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 ESPERIMENTO APPROVATO DA LHCC RICHIESTI DA LHCC ENTRO METÀ DEL 2005 : 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 dellapparato 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) 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)

24 Sesto Fiorentino - 29 Marzo 2004Presentazione dellesperimento 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 )

25 Sesto Fiorentino - 29 Marzo 2004Presentazione dellesperimento 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

26 Sesto Fiorentino - 29 Marzo 2004Presentazione dellesperimento LHCf Gli apparati in esame Sistema tracciante (INFN Firenze -Pamela) Calorimetro (Japan)

27 Sesto Fiorentino - 29 Marzo 2004Presentazione dellesperimento 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

28 Sesto Fiorentino - 29 Marzo 2004Presentazione dellesperimento LHCf Effetto distorsivo sulla ricostruzione dellenergia dovuto al mancato contenimento dello sciame (uscita dalle pareti laterali del calorimetro) DISTANZA DAL BORDO (mm) Risultato dopo la correzione per leffetto di leakage. La correzione risulta efficace fino a circa 1.5 mm dal bordo Valore medio dellenergia ricostruita dopo la correzione (normalizzato a 200 GeV) RMS della distribuzione: Risoluzione energetica Risultati del test del calorimetro: risoluzione energetica Elettroni 200 GeV Raw Energy Corrected Energy Normalized mean energy RMS Preliminary!!!

29 Sesto Fiorentino - 29 Marzo 2004 Schema del rivelatore tracciante utilizzato per il test preliminare del O x y z Particella incidente Rivelatori a microstrisce di silicio

30 Sesto Fiorentino - 29 Marzo 2004 Residui: vista x Residui: vista x (x mis -x val ) Plane 1 Plane 2 (in m)

31 Sesto Fiorentino - 29 Marzo 2004 Residui: vista y Residui: vista y (y mis -y val ) Plane 1 (in m)

32 Sesto Fiorentino - 29 Marzo 2004 Distribuzione dei segnali e 2 del fit rettilineo Distrib. di Landau dei segnali sul piano 1 Distrib. del 2 relativo al fit delle tracce

33 Sesto Fiorentino - 29 Marzo 2004 Ricostruzione del punto di impatto sul piano centrale ( z 0 ) Presa dati in una singola posizione Presa dati complessiva in varie posizioni (cm vs cm) (cm)

34 Sesto Fiorentino - 29 Marzo 2004 Ricostruzione della traiettoria: distribuzioni di sin( ) e Ricostruzione della traiettoria: distribuzioni di sin( ) e 1.4º 2.2º 185.5º

35 Sesto Fiorentino - 29 Marzo 2004Presentazione dellesperimento LHCf POSSIBILE CONTRIBUTO INFN-Firenze Linteresse scientifico per lesperimento 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...) Linteresse scientifico per lesperimento 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 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) MIGLIORE RICOSTRUZIONE SPAZIALE DEGLI SCIAMI (PUNTO DI IMPATTO) VERIFICA DEL CONTENIMENTO DEGLI SCIAMI NEL RIVELATORE 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 DELLESPERIMENTO E PER LA SUA OTTIMIZZAZIONE 3) CONTATTI CON LHC E IL CERN

36 Sesto Fiorentino - 29 Marzo 2004Presentazione dellesperimento LHCf IMPEGNI PER IL PROSSIMO FUTURO A)LA REALIZZAZIONE DELLA SIMULAZIONE RICHIEDE: 1) LIMPEGNO DI DUE PERSONE PER LO STUDIO DELLA STRUTTURA DI LHC, CON NECESSITÀ DI SOGGIORNARE AL CERN PER QUALCHE SETTIMANA 1) LIMPEGNO 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, GENNAIO 2005) 2) PARTECIPAZIONE AL 2 nd FLUKA User Course (HOUSTON, TEXAS, GENNAIO 2005) B)LO SVILUPPO DI UN SISTEMA TRACCIANTE DI RIVELATORI AL SILICIO RICHIEDE (FASE DI PROTOTIPAGGIO): 1) LA PROGETTAZIONE E LACQUISTO DI SENSORI AL SILICIO E DI CHIPS PER IL READOUT, LA PRODUZIONE DI SCHEDE DI ACQUISIZIONE DATI 1) LA PROGETTAZIONE E LACQUISTO 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 2) IL MANTENIMENTO DI CONTATTI CON I GRUPPI GIAPPONESI PER LO SVILUPPO PARALLELO DI CALORIMETRO E SISTEMA TRACCIANTE

37 Sesto Fiorentino - 29 Marzo 2004Presentazione dellesperimento LHCf

38 Sesto Fiorentino - 29 Marzo 2004Presentazione dellesperimento LHCf

39 Sesto Fiorentino - 29 Marzo 2004Presentazione dellesperimento LHCf

40 Sesto Fiorentino - 29 Marzo 2004Presentazione dellesperimento LHCf Richieste finanziarie 2005 A) MISSIONI 1 MESE UOMO DI TRASFERTA AL CERN = 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 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 ) ACQUISTO DI CHIP PER ELETTRONICA DI FRONT-END PER UN TOTALE DI 3000 LE RICHIESTE SONO STATE FATTE SOTTO DOTA1


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