LHCf: un esperimento per la fisica dei raggi cosmici 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) CONCLUSIONI 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), 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 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)

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

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!!!

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)

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

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

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

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

Struttura del rivelatore: sezione trasversale Hamamatsu MA-PMT per le fibre scintillanti Fibre scintillanti per il tracciamento dei profilo trasversale degli sciami PMTs per i layer di scintillatore y ≈ 7.8 4cm Intervallo di rapidità accessibile Fibre per il readout degli scintillatori usati per campionare il profilo longitudinale degli sciami y ≈ 8.5 3cm y ≈ 9.9 2cm BEAM CENTER

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

Struttura longitudinale del rivelatore Assorbitore 20 strati di tungsteno, di spessore variabile (3.5 mm – 7 mm) (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 mm2

Installazione di due rivelatori indipendenti INTERACTION POINT IP1 (ATLAS) or IP8 (LHCb) Detector I Tungsteno Scintillatore Fibre scintillanti Detector II Tungsteno Scintillatore Piani di silicio ~110m/140m ~110m/140m Beam line

Installazione di due rivelatori indipendenti Le fibre scintillanti sono realizzate in strati che coprono esattamente la sezione delle tre torri del calorimetro. Detector I Interamente a carico dei giapponesi Strati di tungsteno (2 r.l.) Layer di scintillatore (3mm)

Detector II Giappone/Italia Le fibre scintillanti sono sostituite da rivelatori al silicio con geometria ‘tradizionale’

Perche’ i silici? Migliore precisione nella ricostruzone del punto di impatto dei fotoni Migliore selezione di eventi ‘puri’ (1 g) Migliore ricostruzione della massa del p0 (calibrazione in energia!) Contenimento trasversale degli sciami

SIMULAZIONE DEL CALORIMETRO Due simulazioni indipendenti: a) programma “custom” (Giappone) b) Fluka (Firenze) Cross check dei risultati!

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

DISCRIMINAZIONE DI PARTICELLE

Profilo longitudinale degli sciami (γ/n) Fluka

Rivelazione dei singoli fotoni Porzione dello spettro in PT dei fotoni di diversa energia osservabili con LHCf

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

Eventi multipli/contaminazione in energia Custom

Simulazioni: ricostruzione dell’energia dei γ e risoluzione 2 mm dal bordo: perdita 15% di energia (correggibile!) Fluka Custom

Rivelazione dei 2 fotoni del decadimento del p0

Fluka

Fluka

Fluka

Il prototipo del calorimetro PIANI DI FIBRE SCINTILLANTI PIANI DI SCINTILLATORE IL SISTEMA COMPLESSIVO

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: 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)

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)

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

Sistema tracciante (INFN Firenze -Pamela) Gli apparati in esame Calorimetro (Japan) Sistema tracciante (INFN Firenze -Pamela)

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

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) (in m) (cm vs cm)

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

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

Risultati del test del calorimetro: risoluzione energetica Elettroni 200 GeV

Conclusioni Settembre: LHCC Settembre: Commissione 1 INFN 2006: costruzione dei 2 detectors e test su fascio 2007: presa dati a LHC!!!!