L’esperimento LHCf ad LHC Studio delle sezioni d’urto di produzione di pioni neutri nella regione “ very forward ” ad un’energia equivalente di 1017 eV nel laboratorio INTRODUZIONE LA FISICA DI LHCf L’APPARATO SPERIMENTALE STUDIO E SIMULAZIONE DEL RIVELATORE TEST AL CERN (LUGLIO/AGOSTO 2004) IL POSSIBILE CONTRIBUTO INFN Oscar Adriani INFN Sezione di Firenze - Dipartimento di Fisica dell’Università degli Studi di Firenze Presentazione 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 France Switzerland 4.3 km Deriva dalla collaborazione CERN UA7 che ha effettuato uno studio della produzione di  e 0 a basso angolo (E = 1014 eV nel laboratorio) Presentazione dell’esperimento LHCf

Presentazione dell’esperimento LHCf Stato conoscitivo dei raggi cosmici primari Composizione, origine e accelerazione... PROFONDITA DEL MASSIMO DELLO SCIAME ENERGIA DEL RC PRIMARIO GZK cutoff: 1020 eV Presentazione dell’esperimento LHCf

Gli eventi di energia estrema (HiRes e AGASA) GZK cutoff: 1020 eV super GZK events?!? AGASA vs HiRes Dopo correzione del 15% sulla scala assoluta di energia!!! Presentazione dell’esperimento LHCf

Sviluppo di sciami atmosferici Simulazione di uno sciame atmosferico iniziato da un protone di 1019 eV. Il contributo predominante al flusso di energia è nella regione “ very forward ” ( = 0) Le misure a più alta energia (E=1014 eV) di sezione d’urto di produzione di pioni neutri in regione di alta rapidità ( , y = 5÷7) sono quelle di UA7 LHCf consente di estendere le misure fino a Elab=1017 eV (energia equivalente nel s.d.r. del laboratorio, Elab= E2cm(LHC)/2 mP) Presentazione 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) Fattore 2 di discrepanza Livello del mare Necessità di misurare direttamente la sezione d’urto di produzione di pioni in funzione di PT (xcm) per stimare correttamente l’energia del Raggio Cosmico primario Presentazione dell’esperimento LHCf

Metodo sperimentale proposto Installazione di un Calorimetro Elettromagnetico per rivelare i π0 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 Presentazione dell’esperimento LHCf

Presentazione dell’esperimento LHCf 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 Presentazione dell’esperimento LHCf

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 (90 × 335 × 290) mm3 Il calorimetro dovrebbe sostituire tre spessori di rame di 10 cm Presentazione dell’esperimento LHCf

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

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

Struttura longitudinale del rivelatore Assorbitore 50 strati di tungsteno, ciascuno di 3.5 mm di spessore (W: X0 = 3.5mm, RM = 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) Presentazione dell’esperimento LHCf

SIMULAZIONE DEL CALORIMETRO La simulazione presentata è stata effettuata dai gruppi di ricerca giapponesi utilizzando un programma “custom” Presentazione dell’esperimento LHCf

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 Presentazione dell’esperimento LHCf

Conteggio dei secondari prodotti dai γ Presentazione dell’esperimento LHCf

DISCRIMINAZIONE DI PARTICELLE Presentazione dell’esperimento LHCf

Rivelazione dei singoli fotoni Presentazione dell’esperimento LHCf Porzione dello spettro in PT dei fotoni di diversa energia osservabili con LHCf Presentazione dell’esperimento LHCf

Rivelazione dei singoli fotoni Presentazione dell’esperimento LHCf ~ 0.1 g con E>100 GeV per ogni interazione Alcune ore di presa dati con L=1029 cm-2s-1 dovrebbero essere sufficienti Presentazione dell’esperimento LHCf

Presentazione dell’esperimento LHCf Rivelazione dei 2 fotoni del decadimento del p0 ( ) cm2 Presentazione dell’esperimento LHCf

Presentazione dell’esperimento LHCf Eventi multipli/contaminazione in energia Presentazione dell’esperimento LHCf

Simulazioni: ricostruzione dell’energia dei γ e risoluzione Presentazione dell’esperimento LHCf

Il prototipo del calorimetro PIANI DI FIBRE SCINTILLANTI PIANI DI SCINTILLATORE IL SISTEMA COMPLESSIVO Presentazione dell’esperimento LHCf

Presentazione 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) 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) Presentazione dell’esperimento LHCf

TEST SU FASCIO LUGLIO - AGOSTO 2004 SPS-H4 2 TORRI (2×2 e 4×4)cm2 + 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) Presentazione dell’esperimento LHCf

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 Presentazione dell’esperimento LHCf

Sistema tracciante (INFN Firenze -Pamela) Gli apparati in esame Calorimetro (Japan) Sistema tracciante (INFN Firenze -Pamela) Presentazione dell’esperimento LHCf

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 Presentazione dell’esperimento LHCf

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

Schema del rivelatore tracciante utilizzato per il test preliminare del 2004 5 3 1 2 x  O z  Particella incidente Rivelatori a microstrisce di silicio y

Residui: vista x (xmis-xval) Plane 1 Plane 2 (in m) (in m)

Residui: vista y (ymis-yval) Plane 1 (in m)

Distribuzione dei segnali e 2 del fit rettilineo Distrib. di Landau dei segnali sul piano 1 Distrib. del 2 relativo al fit delle tracce

Ricostruzione del punto di impatto sul piano centrale (z = 0) Presa dati complessiva in varie posizioni (cm) (cm) Presa dati in una singola posizione (cm vs cm) (cm vs cm)

Ricostruzione della traiettoria: distribuzioni di sin() e  1.4º   185.5º 2.2º

POSSIBILE CONTRIBUTO INFN-Firenze 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 SVILUPPO DI UN SISTEMA TRACCIANTE DI RIVELATORI AL SILICIO: MIGLIORE RICOSTRUZIONE SPAZIALE DEGLI SCIAMI (PUNTO DI IMPATTO) VERIFICA DEL CONTENIMENTO DEGLI SCIAMI NEL RIVELATORE 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 Presentazione 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 “2nd 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 Presentazione dell’esperimento LHCf

Presentazione dell’esperimento LHCf

Presentazione dell’esperimento LHCf

Presentazione 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 Presentazione dell’esperimento LHCf