Napoli – 19 Settembre 2005LHCfOscar Adriani LHCf INFN Sezione di Firenze - Dipartimento di Fisica dell’Università degli Studi di Firenze  Fisica di LHCf.

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1 Napoli – 19 Settembre 2005LHCfOscar Adriani LHCf INFN Sezione di Firenze - Dipartimento di Fisica dell’Università degli Studi di Firenze  Fisica di LHCf  Descrizione dell’apparato proposto  Il contributo INFN  Risultati di simulazione e test beam Misura della sezione d’urto di produzione di  0 nella regione ‘very forward’ a LHC Energia equivalente nel laboratorio  10 17 eV

2 Napoli – 19 Settembre 2005LHCfOscar Adriani 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 SwitzerlandFrance 4.3 km Collaborazione UA7 all’SPS (E Lab = 10 14 eV)

3 Napoli – 19 Settembre 2005LHCfOscar Adriani Quali sono i principali problemi della fisica dei Raggi Cosmici di Alta Energia (E>10 15 eV) ? 1.Composizione X max (g/cm 2 ) Energy (eV) 2.Spettro / GZK Cutoff

4 Napoli – 19 Settembre 2005LHCfOscar Adriani Gli eventi di energia estrema GZK cutoff: 10 20 eV super GZK events?!? Correzione del 15% sulla scala assoluta di energia

5 Napoli – 19 Settembre 2005LHCfOscar Adriani 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=10 14 eV, y = 5÷7) Sviluppo degli sciami atmosferici Simulazione di uno sciame dovuto a un protone di 10 19 eV

6 Napoli – 19 Settembre 2005LHCfOscar Adriani Sviluppo longitudinale degli sciami La misura diretta della sezione d’urto di produzione di  in funzione di p T (x cm ) è essenziale per stimare correttamente l’energia dei RC primari Livello del mare 50% di discrepanza DPMJET (3.03) QGSJET Ad-hoc

7 Napoli – 19 Settembre 2005LHCfOscar Adriani 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 E lab =10 17 eV E lab =10 17 eV (E lab = E 2 cm /2 m P ) LHCf coprirà la parte ‘very forward’ IP1 (Atlas) o IP8 (LHCB) Collisioni Pb-Pb???? LHC LHCf è un tool per calibrare la simulazione

8 Napoli – 19 Settembre 2005LHCfOscar Adriani 2 rivelatori indipendenti su entrambi i lati di IPX PUNTO DI INTERAZIONE IP1 (ATLAS) o IP8 (LHCb) Beam line Detector II Tungsteno Scintillatore Silicon  strips Detector I Tungsteno Scintillatori Fibre scintillanti 140 m I rivelatori devono misurare energia e punto di impatto dei  dal decadimento dei  0 Calorimetri e.m. con layers sensibili alla posizione

9 Napoli – 19 Settembre 2005LHCfOscar Adriani 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->

10 Napoli – 19 Settembre 2005LHCfOscar Adriani Thinner sampling 3 torri con la stessa struttura longitudinale ma con differenti dimensioni trasversali Dimensioni max (90 × 335 × 290) mm 3 Detector #1Assorbitore 20 layers di tungsteno, con spessori differenti (7 mm – 14 mm) (W: X 0 = 3.5mm, R M = 9mm) Scintillatori Trigger e misura del profilo longitudinale di energia: 3 mm plastic scintillator Fibre scintillanti 3 doppi strati di fibre 1 mm 2 per misurare il profilo trasversale dello sciame Beam 8X 0 10X 0 34X 0 Thicker sampling

11 Napoli – 19 Settembre 2005LHCfOscar Adriani Grazie alla regione speciale tra le 2 beam pipes Detector #1: proiezione trasversale Hamamatsu MA-PMT per fibre scintillanti PMTs per fibre WLS 4cm 3cm 2cm BEAM CENTER y ≈ 9.9 y ≈ 8.5 y ≈ 7.8 Fibre Scintillanti Fibre WLS per il readout degli scintillatori plastici Range di rapidità 13 cm y ≈ 

12 Napoli – 19 Settembre 2005LHCfOscar Adriani 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

13 Napoli – 19 Settembre 2005LHCfOscar Adriani Detector #2 4 cm 3 cm 2 cm 6.4 cm W + Sci Silicon SciFi rimpiazzate da silicon  strips detectors 64x64 mm 2 Pitch 80  m 3 double layers (x-y) 1 double layer di fronte al calorimetro Beam center Contributo INFN

14 Napoli – 19 Settembre 2005LHCfOscar Adriani Perché queste differenze? Vantaggi dei Silicon  strips: Misura del punto di impatto Selezione di eventi ‘puliti’ (1  ) Ricostruzione della massa invariante del  0 (energy calibration) Geometria diversa: Differenti sistematiche Diversa accettanza Importante per ambiente ‘sconosciuto’ (LHC background????) Data taking comune !!! (fisica diffrativa)

15 Napoli – 19 Settembre 2005LHCfOscar Adriani 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!!!

16 Napoli – 19 Settembre 2005LHCfOscar Adriani Silicon  strips readout Pace3 chips (Grazie a CMS preshower!!!!) 32 canali 25 ns peaking time Grande range dinamico(> 400 MIP) 192x32 analog pipeline

17 Napoli – 19 Settembre 2005LHCfOscar Adriani

18 Napoli – 19 Settembre 2005LHCfOscar Adriani

19 Napoli – 19 Settembre 2005LHCfOscar Adriani Che performances ci aspettiamo da LHCf? Counting rate per  Risoluzione energetica Massima energia misurabile Counting rate per  0 Identificazione/reiezione dei neutroni Regioni cinematiche coperte.... Simulazione 2 simulazioni indipendenti: a) programma “custom” (Japan) b) Fluka (Italy) Test Beam

20 Napoli – 19 Settembre 2005LHCfOscar Adriani Longitudinal shower profile (γ/n) Fluka E’ possibile misurare l’energia dei neutroni??? 1 TeV  fully contained

21 Napoli – 19 Settembre 2005LHCfOscar Adriani Single  detection Alcune ore di data taking a L=10 29 cm -2 s -1 dovrebbero essere sufficienti 1  con 100 GeV<E<1 TeV ogni 15 interazioni di LHC (<100  sec) 1  con E > 1 TeV ogni 50 interazioni di LHC

22 Napoli – 19 Settembre 2005LHCfOscar Adriani 2 fotoni dal decadimento del  0 1  o con E>1 TeV ogni 1000 interazioni di LHC (<10 ms) 2  in 2 torri diverse Calibrazione assoluta di energia!!!!

23 Napoli – 19 Settembre 2005LHCfOscar Adriani Fluka

24 Napoli – 19 Settembre 2005LHCfOscar Adriani Fluka 500 GeV  in SciFi and Silicon

25 Napoli – 19 Settembre 2005LHCfOscar Adriani 15  m Risoluzione spaziale per i fotoni 67  m Risoluzione delle fibre  500  m

26 Napoli – 19 Settembre 2005LHCfOscar Adriani SciFi Silicon  strips  =3.1 MeV  =2.0 MeV M(  0 ) Massa invariante del  0

27 Napoli – 19 Settembre 2005LHCfOscar Adriani Energia fotone (GeV) Risoluzione senza saturazione (  m) Risoluzione con saturazione (  m) 10002229 20001523 Effetto della saturazione del preamplificatore Saturazione=400 MIPS (nella realtà molto meglio…) Massimo del segnale in una strip

28 Napoli – 19 Settembre 2005LHCfOscar Adriani Risultati del test beam ELETTRONI PROTONI MUONI Necessario per verificare la simulazione (torre piccola 2x2 cm 2 !!!) SPS-H4 Luglio-Agosto 2004 2 Torri (2×2 and 4×4)cm 2 + 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)

29 Napoli – 19 Settembre 2005LHCfOscar Adriani Scintillating Fibers Scintillators plane

30 Napoli – 19 Settembre 2005LHCfOscar Adriani Tracking System (INFN Firenze -Pamela) Calorimeter (Japan)

31 Napoli – 19 Settembre 2005LHCfOscar Adriani Correzioni per leakage Monte Carlo Test Beam MC Predice una leakage indipendente dall’energia! correction Distanza dal bordo N Particles

32 Napoli – 19 Settembre 2005LHCfOscar Adriani Risoluzione energetica

33 Napoli – 19 Settembre 2005LHCfOscar Adriani 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 # 1Detector # 2 TungstenJapan MechanicsJapan Plastic ScintillatorsJapan Scintillating fibersJapan----------- Silicon sensors-----------INFN Photomultipliers for scintillatorsJapan Multianode photomultipliers for fibersJapan----------- Preamplifiers for silicon-----------INFN Hybrid and Kapton for silicon-----------INFN Readout electronics for fibers (VA based)Japan----------- Readout electronics for silicon-----------INFN VME Interface board for fibersJapan----------- VME Interface board for silicon-----------INFN Detector # 1Detector # 2 VME ADC boards for scintillatorsJapan/INFN VME crateJapanINFN Low voltage Power SupplyJapanINFN High voltage Power Supply for scintillatorsJapanJapan/INFN High voltage Power Supply for fibersJapan-----------

34 Napoli – 19 Settembre 2005LHCfOscar Adriani Composizione del gruppo di ricerca Sezione di Firenze: Adriani OscarP.A.50% Bonechi LorenzoAss.20% Bongi MassimoDott.100% D’Alessandro RaffaelloP.A.30% Papini PaoloRic. INFN30% Grandi MauroTecnico40% Sezione di Catania: Tricomi AlessiaRic. Univ.30% RFTE:2.6 TTTE:0.4

35 Napoli – 19 Settembre 2005LHCfOscar Adriani Richieste Catania: MI:1 kE ME:3.7 kE Consumi:1 kE Firenze:

36 Napoli – 19 Settembre 2005LHCfOscar Adriani LHCf - schedule  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

37 Napoli – 19 Settembre 2005LHCfOscar Adriani Multiple events/energy contamination

38 Napoli – 19 Settembre 2005LHCfOscar Adriani  M ~ 2-3 MeV

39 Napoli – 19 Settembre 2005LHCfOscar Adriani Porzione dello spettro in P T dei fotoni misurabile da LHCf per vari range di energia Rivelazione dei fotoni singoli

40 Napoli – 19 Settembre 2005LHCfOscar Adriani Misure di energia e risoluzione energetica Fluka Custom 1.Linearità fino a > TeV  E/E ~ 2% 3.15% energy loss @ 2 mm dal bordo (torre piccola) 1 2 3

41 Napoli – 19 Settembre 2005LHCfOscar Adriani Profilo longitudinale degli sciami 200GeV/c electron fully contained 200GeV/c electron partially contained 50GeV/c electron fully contained350GeV/c proton

42 Napoli – 19 Settembre 2005LHCfOscar Adriani E=10 19 eV protons, Fe

43 Napoli – 19 Settembre 2005LHCfOscar Adriani Double hit separation