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１０ １７ eV における最前方粒子測定実験 LHCf -- 計画概要と CERN でのテストビームによる性能評価 --

１０ １７ eV における最前方粒子測定実験 LHCf -- 計画概要と CERN でのテストビームによる性能評価 --. ～ 来るべき TA 観測結果の解釈のために ～. 増田公明，﨏隆志，村木綏，松原豊，小幡康義，田中康一　（名大 STE 研） 笠原克昌　（芝浦工大） 鳥居祥二，田村忠久，吉田健二　（神奈川大） O. Adriani, L. Bonechi, M. Bongi ( フィレンツェ大，イタリア ) A. Faus, J. Velasco (Centro Mixto CSIC-UVEG ，スペイン )

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１０ １７ eV における最前方粒子測定実験 LHCf -- 計画概要と CERN でのテストビームによる性能評価 --

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  1. １０１７eVにおける最前方粒子測定実験 LHCf-- 計画概要とCERNでのテストビームによる性能評価-- ～ 来るべきTA観測結果の解釈のために ～ 増田公明，﨏隆志，村木綏，松原豊，小幡康義，田中康一　（名大STE研） 笠原克昌　（芝浦工大） 鳥居祥二，田村忠久，吉田健二　（神奈川大） O. Adriani, L. Bonechi, M. Bongi(フィレンツェ大，イタリア) A. Faus, J. Velasco(Centro Mixto CSIC-UVEG，スペイン) M. Haguenauer(エコールポリテクニック，フランス) W. C. Turner(LBNL，アメリカ) モンテカルロ シンチ・PMT SciFi・MAPMT シリコントラッカー 日本物理学会　第60回年次大会　（2005年3月24日） 24pXH8

  2. Contents １．最高エネルギー宇宙線研究の課題 ２．エネルギー較正実験 LHCf の概要 ３．プロトタイプ機 ４．2004年夏のCERNテスト実験 ５．テスト実験の解析結果（経過報告） ６．今後の予定

  3. proton iron Knapp et al., 2003 最高エネルギー宇宙線の課題 Xmax (g/cm2) Flux 1016 1020 Elab(eV) 19 20 Log10(E) (eV) 化学組成の変化 Super GZKの有無

  4. 課題を克服するために Monte Carlo simulation 　エネルギー決定はMCに頼らざるを得ない。 　しかし，1020eVの相互作用モデルは誰も保証しない。 LHC（7 TeV p×7 TeV p）ならば実験室系で 1017eV の 　相互作用を検証することが可能。 1020eV 最高エネルギーへの掛け橋

  5. 0.1 1.0 Feynman X 700 800 900 1000 モデル不定性とシャワー発達 Feynman X @ 1017eV for p-p collision 2つの極端なモデル が異なるシャワー発達 を与える。

  6. Interaction Point 95mm 140m 最前方 X分布（エネルギー分布） X∝P//～E @最前方 シャワーの発達には前方放出粒子の寄与が大きい。 →　collider の最前方に検出器を置く。 LHCではIPから140mのところでビームをわける。 95mmの隙間にカロリメータを置くことが可能。 最前方にシャワーカロリメータを置き、発生したπ0（一部η）からのガンマ線と中性子のエネルギーを測定する。（荷電粒子は磁場でスイープされる。 ） 2004年6月LHCCに 認められた。 LHCf　実験

  7. From J. Engelen @ Workshop ‘Physics at LHC’ Underground Works Civil Engineering LHCb ATLAS 全周27 km

  8. LHCf カロリメータ SciFi（1 mm幅）による シャワー位置の測定 (x, y @ 6, 10, 34 r.l.) 4 cm×4 cm 3 cm×3 cm 2 cm×2 cm の３つのタワー Beam 17枚のプラスチックシンチレータとタングステン板によるサンプリング・シャワーカロリメータ （2/4 r.l. step，全長54 r. l.）

  9. エネルギーキャリブレーション（MC） π０→２γ　のガンマ線の エネルギー・運動量を別々の タワーで測定することで，π０ の 不変質量を測定することが可能

  10. 試作機のビームテスト （2004年7月30日～8月11日，CERN SPSH4） • テスト実験の課題 • 95mmの幅の中にカロリメータ，エレキを収められるか。 • 2cm×2cmというカロリメータでちゃんとエネルギーを測定できるか。（端のイベントを補正できるか。） • 50, 100, 150, 200, 250 GeV/c の電子, • 150 GeV/c のミューオン, 150, 300, 350 GeV/c の陽子 • 入射位置を変えて照射 • シリコントラッカーで入射位置を50μmの精度で決定

  11. 280mm 2004年試作機（内部写真） MAPMT用 front-end回路 MAPMT (H7546) カロリーメータ用 PMT(H3164-10) 4cmタワー 2cmタワー

  12. SciFi Belts 2 cm 4 cm 1 MIP > 5 p.e. SciFi 1mm Sq. Clear Fiber Joint シンチレーションファイバー（SciFi）とマルチアノード光電子増倍管（MAPMT） Hamamatsu 64 ch (8x8) 8 dynode MAPMT Viking Chip VA32HDR14 IDEAS MAPMT+FEC

  13. 2004年試験セットアップ L1 L2 L3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Beam trigger Moving table Si tracker Calorimeters (20mm◇, 40mm ◇) Beam

  14. 2004年試験セットアップ（写真）

  15. 2004年試験（Quick-Lookモニター画面）

  16. X Y Y X SciFiデータサンプル ＠10r.l.（40mm, 200GeV/c electron） Y X 普通の電磁カスケードシャワー ２粒子同時入射イベント？

  17. e 200 GeV/c (HV-600V) ~5000 events X Y Lay1 6 r.l. Example Image of One Event (e 200 GeV/c HV-600V) Lay2 Lay1（6 ｒｌ） 10 r.l. Lay2（10 ｒｌ） Lay3 Lay3（34 ｒｌ） 34 r.l. ADC-Ped. (Max.~30000) SciFi Detector結果と改善の可能性 0 ADC 8000 Dynamic Range : 1/7~1/5 of Full Range for e 200 GeV/c →Electrons up to a few TeV can be detected Further Improvement : ADC ：250 kHz ⇒ 500 kHz Viking Chip ：Radiation Hard ・0.8μ⇒0.35μprocess ・SOI (Silicon On Insulator)

  18. Scinti.+W calorimeterEvent sample (transition curve for 4 cm detector) 粒子数 Scinti Layer 200GeV/c electron fully contained 200GeV/c electron partially contained 50GeV/c electron fully contained 350GeV/c proton

  19. CERN実験におけるシンチレータ用PMT出力の較正CERN実験におけるシンチレータ用PMT出力の較正 PMT出力 • 電子シャワーに対するCERN実験（50-250 GeV/c）のMC simulation から得られる粒子数（＝光量）と各PMTの出力。 • 2 cm カロリメータと 4 cmカロリメータを一緒にプロット。集光率の違いはミューオンに対する応答で補正済み。 • 比例していないので，4パラメータの曲線でfit。 粒子数

  20. NMIP_map_EXP_znorm_20mm_200GeV Y 粒子数 map Preliminary X • 各シンチ層の粒子数分布 • 2 cm カロリメータ • 200 GeV/c electron beam • Σ粒子数（全エネルギー） 20 mm

  21. Σ粒子数 Σ粒子数 位置補正後 ＜Σ粒子数＞ 位置補正後 分解能(%) エッジからの距離 4 cm カロリメータ位置依存（エッジ補正）200 GeV/c electrons(preliminary) カロリーメータの端に入った シャワーは粒子数が減る。 →　エネルギーの underestimate 位置依存性を補正することで 端に近いイベントも正しく エネルギーを決められる。 （補正は近似的に energy independent） シャワーの位置はSciFiの データで求める。 （今回はシリコンで測った 入射位置） 0 20 mm

  22. 200 GeV/c electron Σ粒子数 Σ粒子数 位置補正後 ＜Σ粒子数＞ 位置補正後 分解能(%) エッジからの距離 エッジからの距離 MC simulation 実験値をMC curveで補正 2cmカロリメータ位置依存　－　エッジ補正(preliminary) 2 mm 5 % 5 % 0 10 mm 0 10 mm

  23. NMIP_map_corr_layer_EXP_20mm_200GeV 粒子数 map Y Preliminary X • エッジ補正後の各シンチ層の粒子数分布 • 2 cm カロリメータ • 200 GeV/c electron beam

  24. PMT の linearityと較正 • CERN実験では 250 GeVまでを確認。 • 本番のエネルギー（数TeVまで）に対応する光量を与えてPMTの応答を調べる。 • そのためのレーザーと fast pulser を用いたキャリブレーションシステムを立ち上げた。

  25. Calibration of PMT（H3164-10） • Fast pulser (<10ns) to simulate pulse shape from plastic scinti. • Laser diode (440nm) triggered by the fast pulser • Reference PMT (H1161)

  26. CERNテスト実験のこれまでの結論 • LHCf 実験のための検出器のプロトタイプを製作し，ビームテストを行った。 • 入射位置補正後，端の2 mmを除けば十分な精度で入射光子のエネルギーを測定できる。 • カロリメータ出力（PMT）のエネルギー較正が可能。

  27. ま と め • 1017eVでの相互作用モデルを検証するための加速器実験LHCf がスタートした。来るべき最高エネルギー宇宙線観測のデータ解釈に不可欠な基盤を与えると期待される。 • 実験は LHCCで承認され，検出器設置場所等の具体的なつめをおこなっている。2007年LHC立ち上げ時の低 luminosity（<1030 cm-2s-1）での測定ランを目指している。 • 2004年7‐8月に CERN SPSにおいてプロトタイプによるテスト実験を行った。実験は無事終了し，これまでにいくつかの preliminary な結果を得た。現在さらに詳細なデータ解析中である。 • 今後検出器に改善を加え，本番実験の準備をすすめる。

  28. End

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