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Padova - 29 Giugno 2005Lesperimento LHCfSLIDE 1 LHCf: un esperimento per la fisica dei raggi cosmici ad LHC Oscar Adriani INFN Sezione di Firenze - Dipartimento.

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Presentazione sul tema: "Padova - 29 Giugno 2005Lesperimento LHCfSLIDE 1 LHCf: un esperimento per la fisica dei raggi cosmici ad LHC Oscar Adriani INFN Sezione di Firenze - Dipartimento."— Transcript della presentazione:

1 Padova - 29 Giugno 2005Lesperimento LHCfSLIDE 1 LHCf: un esperimento per la fisica dei raggi cosmici 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) CONCLUSIONI CONCLUSIONI Studio delle sezioni durto di produzione di pioni neutri nella regione very forward ad unenergia equivalente di eV nel laboratorio

2 Padova - 29 Giugno 2005Lesperimento LHCfSLIDE 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 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 Padova - 29 Giugno 2005Lesperimento LHCfSLIDE 3 Stato conoscitivo dei raggi cosmici primari Composizione, origine e accelerazione... GZK cutoff: eV PROFONDITA DEL MASSIMO DELLO SCIAME ENERGIA DEL RC PRIMARIO

4 Padova - 29 Giugno 2005Lesperimento LHCfSLIDE 4 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 Padova - 29 Giugno 2005Lesperimento LHCfSLIDE 5 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 Padova - 29 Giugno 2005Lesperimento LHCfSLIDE 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) 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 Padova - 29 Giugno 2005Lesperimento LHCfSLIDE 7 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 Padova - 29 Giugno 2005Lesperimento LHCfSLIDE 8 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 Padova - 29 Giugno 2005Lesperimento LHCfSLIDE 9 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 Padova - 29 Giugno 2005Lesperimento LHCfSLIDE 10 Struttura del rivelatore: sezione trasversale Hamamatsu MA-PMT per le fibre scintillanti PMTs per i layer di scintillatore 4cm 3cm 2cm BEAM CENTER y 9.9 y 8.5 y 7.8 Fibre scintillanti per il tracciamento dei profilo trasversale degli sciami Fibre per il readout degli scintillatori usati per campionare il profilo longitudinale degli sciami Intervallo di rapidità accessibile

11 Padova - 29 Giugno 2005Lesperimento LHCfSLIDE 11 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 Padova - 29 Giugno 2005Lesperimento LHCfSLIDE 12 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 dellenergia rilasciata dallo sciame a varie profondità nel calorimetro Fibre scintillanti Determinazione del profilo spaziale dello sciame con fibre di 1 mm 2 Struttura longitudinale del rivelatore

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

14 Padova - 29 Giugno 2005Lesperimento LHCfSLIDE 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)

15 Padova - 29 Giugno 2005Lesperimento LHCfSLIDE 15 Detector II Giappone/Italia Le fibre scintillanti sono sostituite da rivelatori al silicio con geometria tradizionale

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

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

18 Padova - 29 Giugno 2005Lesperimento LHCfSLIDE 18 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.

19 Padova - 29 Giugno 2005Lesperimento LHCfSLIDE 19 DISCRIMINAZIONE DI PARTICELLE

20 Padova - 29 Giugno 2005Lesperimento LHCfSLIDE 20 Profilo longitudinale degli sciami (γ/n) Fluka

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

22 Padova - 29 Giugno 2005Lesperimento LHCfSLIDE 22 ~ 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

23 Padova - 29 Giugno 2005Lesperimento LHCfSLIDE 23 Eventi multipli/contaminazione in energia Custom

24 Padova - 29 Giugno 2005Lesperimento LHCfSLIDE 24 Simulazioni: ricostruzione dellenergia dei e risoluzione 2 mm dal bordo: perdita 15% di energia (correggibile!) Fluka Custom

25 Padova - 29 Giugno 2005Lesperimento LHCfSLIDE 25 Rivelazione dei 2 fotoni del decadimento del 0

26 Padova - 29 Giugno 2005Lesperimento LHCfSLIDE 26 Fluka

27 Padova - 29 Giugno 2005Lesperimento LHCfSLIDE 27 Fluka

28 Padova - 29 Giugno 2005Lesperimento LHCfSLIDE 28 Fluka

29 Padova - 29 Giugno 2005Lesperimento LHCfSLIDE 29

30 Padova - 29 Giugno 2005Lesperimento LHCfSLIDE 30 Il prototipo del calorimetro PIANI DI FIBRE SCINTILLANTI PIANI DI SCINTILLATORE IL SISTEMA COMPLESSIVO

31 Padova - 29 Giugno 2005Lesperimento LHCfSLIDE 31 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: 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 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)

32 Padova - 29 Giugno 2005Lesperimento LHCfSLIDE 32 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 )

33 Padova - 29 Giugno 2005Lesperimento LHCfSLIDE 33 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

34 Padova - 29 Giugno 2005Lesperimento LHCfSLIDE 34 Gli apparati in esame Sistema tracciante (INFN Firenze -Pamela) Calorimetro (Japan)

35 Padova - 29 Giugno 2005Lesperimento LHCfSLIDE 35 Schema del rivelatore tracciante utilizzato per il test preliminare del O x y z Particella incidente Rivelatori a microstrisce di silicio

36 Padova - 29 Giugno 2005Lesperimento LHCfSLIDE 36 (in m) Ricostruzione del punto di impatto sul piano centrale ( z 0 ) (cm vs cm) Presa dati in una singola posizione Presa dati complessiva in varie posizioni (cm vs cm) (cm)

37 Padova - 29 Giugno 2005Lesperimento LHCfSLIDE 37 Ricostruzione della traiettoria: distribuzioni di sin( ) e Ricostruzione della traiettoria: distribuzioni di sin( ) e 1.4º 2.2º 185.5º

38 Padova - 29 Giugno 2005Lesperimento LHCfSLIDE 38 Risultati del test: profilo longitudinale degli sciami 200GeV/c electron fully content 200GeV/c electron partially content 50GeV/c electron fully content350GeV/c proton

39 Padova - 29 Giugno 2005Lesperimento LHCfSLIDE 39 Risultati del test del calorimetro: risoluzione energetica Elettroni 200 GeV

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


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