LHCf Misura della sezione d’urto di produzione di p0 nella regione ‘very forward’ a LHC Energia equivalente nel laboratorio  1017 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

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 Switzerland 4.3 km Collaborazione UA7 all’SPS (ELab = 1014 eV)

Quali sono i principali problemi della fisica dei Raggi Cosmici di Alta Energia (E>1015eV) ? Xmax(g/cm2) Energy (eV) Composizione Spettro / GZK Cutoff

Gli eventi di energia estrema GZK cutoff: 1020 eV super GZK events?!? Correzione del 15% sulla scala assoluta di energia

Sviluppo degli sciami atmosferici Simulazione di uno sciame dovuto a un protone di 1019 eV Il contributo dominante al flusso di energia viene dalla regione ‘very forward’ (  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=1014 eV, y = 5÷7)

Sviluppo longitudinale degli sciami DPMJET (3.03) QGSJET Ad-hoc 50% di discrepanza Livello del mare La misura diretta della sezione d’urto di produzione di p in funzione di pT (xcm) è essenziale per stimare correttamente l’energia dei RC primari

LHCf è un tool per calibrare la simulazione Riassumendo… 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 Elab=1017 eV (Elab= E2cm/2 mP) LHCf coprirà la parte ‘very forward’ IP1 (Atlas) o IP8 (LHCB) Collisioni Pb-Pb???? LHCf è un tool per calibrare la simulazione

2 rivelatori indipendenti su entrambi i lati di IPX PUNTO DI INTERAZIONE IP1 (ATLAS) o IP8 (LHCb) Detector I Tungsteno Scintillatori Fibre scintillanti Detector II Tungsteno Scintillatore Silicon mstrips 140 m 140 m Beam line I rivelatori devono misurare energia e punto di impatto dei g dal decadimento dei p0 Calorimetri e.m. con layers sensibili alla posizione

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->

Detector #1 3 torri con la stessa struttura longitudinale ma con differenti dimensioni trasversali 8X0 10X0 34X0 Dimensioni max (90 × 335 × 290) mm3 Assorbitore 20 layers di tungsteno, con spessori differenti (7 mm – 14 mm) (W: X0 = 3.5mm, RM = 9mm) Thicker sampling Thinner sampling Beam Scintillatori Trigger e misura del profilo longitudinale di energia: 3 mm plastic scintillator Fibre scintillanti 3 doppi strati di fibre 1 mm2 per misurare il profilo trasversale dello sciame

Detector #1: proiezione trasversale Hamamatsu MA-PMT per fibre scintillanti Fibre Scintillanti Fibre WLS per il readout degli scintillatori plastici PMTs per fibre WLS y ≈ 7.8 4cm Grazie alla regione speciale tra le 2 beam pipes Range di rapidità 13 cm y ≈ 8.5 3cm y ≈ 9.9 2cm y ≈  BEAM CENTER

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  prodotti da un 0 per una migliore ricostruzione dell’energia e della direzione del 0

Detector #2 6.4 cm Contributo INFN Silicon W + 4 cm Sci 3 cm 2 cm Beam SciFi rimpiazzate da silicon mstrips detectors 64x64 mm2 Pitch 80 mm 3 double layers (x-y) 1 double layer di fronte al calorimetro Beam center

Perché queste differenze? Vantaggi dei Silicon mstrips: Misura del punto di impatto Selezione di eventi ‘puliti’ (1 g) Ricostruzione della massa invariante del p0 (energy calibration) Geometria diversa: Differenti sistematiche Diversa accettanza Importante per ambiente ‘sconosciuto’ (LHC background????) Data taking comune !!! (fisica diffrativa)

Il detector #2 ha un’accettanza molto più uniforme!!! 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!!!

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

Che performances ci aspettiamo da LHCf? Counting rate per g Risoluzione energetica Massima energia misurabile Counting rate per p0 Identificazione/reiezione dei neutroni Regioni cinematiche coperte .... Simulazione 2 simulazioni indipendenti: a) programma “custom” (Japan) b) Fluka (Italy) Test Beam

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

Single g detection Alcune ore di data taking 1 g con 100 GeV<E<1 TeV ogni 15 interazioni di LHC (<100 msec) 1 g con E > 1 TeV ogni 50 interazioni di LHC Alcune ore di data taking a L=1029 cm-2s-1 dovrebbero essere sufficienti

2 fotoni dal decadimento del p0 2 g in 2 torri diverse 1 po con E>1 TeV ogni 1000 interazioni di LHC (<10 ms) Calibrazione assoluta di energia!!!!

Fluka

500 GeV g in SciFi and Silicon Fluka

Risoluzione spaziale per i fotoni 67 mm 15 mm Risoluzione delle fibre  500 mm

Massa invariante del p0 Silicon mstrips SciFi s=2.0 MeV s=3.1 MeV M(p0) M(p0)

Risoluzione senza saturazione (mm) Risoluzione con saturazione (mm) Effetto della saturazione del preamplificatore Saturazione=400 MIPS (nella realtà molto meglio…) Massimo del segnale in una strip Energia fotone (GeV) Risoluzione senza saturazione (mm) Risoluzione con saturazione (mm) 1000 22 29 2000 15 23

Risultati del test beam Necessario per verificare la simulazione (torre piccola 2x2 cm2!!!) SPS-H4 Luglio-Agosto 2004 2 Torri (2×2 and 4×4)cm2 + Tracking system per determinare il punto di impatto sulle torri ELETTRONI (50÷250) GeV/c PROTONI (150÷350) GeV/c MUONI (150) GeV/c x-y Scan (Per studiare le sistematiche al variare della distanza dal bordo)

Scintillating Fibers Scintillators plane

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

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

Risoluzione energetica

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 Mechanics Plastic Scintillators Scintillating fibers ----------- Silicon sensors INFN Photomultipliers for scintillators Multianode photomultipliers for fibers Preamplifiers for silicon Hybrid and Kapton for silicon Readout electronics for fibers (VA based) Readout electronics for silicon VME Interface board for fibers VME Interface board for silicon Detector # 1 Detector # 2 VME ADC boards for scintillators Japan/INFN VME crate Japan INFN Low voltage Power Supply High voltage Power Supply for scintillators High voltage Power Supply for fibers -----------

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

Richieste Catania: MI: 1 kE ME: 3.7 kE Consumi: 1 kE Firenze:

LHCf - schedule Aprile 2007: Data taking a LHC 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

Multiple events/energy contamination

DM ~ 2-3 MeV

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

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

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

E=1019eV 　 protons, Fe

Double hit separation