宇宙線と原子核ハドロンの狭間～ニュートリノ、そして超前方散乱～

宇宙線と原子核ハドロンの狭間～ニュートリノ、そして超前方散乱～宇宙線と原子核ハドロンの狭間～ニュートリノ、そして超前方散乱～伊藤好孝（名古屋大学太陽地球環境研究所）研究会「原子核・ハドロン物理学の現在、そして未来」平成２２年５月２２日（土）京都テルサ

宇宙線と原子核・ハドロン

小田稔「宇宙線」 1960年第１版、1972年改訂

“超高エネルギー“現象 • 「宇宙線研究の歴史を振り返ってみると、いつもその時点で人工加速器によりは高いエネルギー領域に、実験室で得られるのとは異質の“もっと”基本的と考えられる素粒子の性質が求められてきた。（中略）一方、109~1010eV以上の宇宙線と物質の相互作用に見られた中間子の多重発生が核子の基本的な性質に関係の現象として捉えられ、超高エネルギー現象と呼ばれて宇宙線研究の大きな流れになったのである。」　（小田稔　「宇宙線」）

π ＋＋ μ ＋ e E 0.8 x 10 20 eV ~ Energy spectrum of UHE cosmic rays LHC 7+7TeV Flux * E3 2ndKNEE?? GZK KNEE ANKLE 1020 eV 1014 eV 1016 eV 1018 eV ν GZK cut off γ p p γ n E = 10 20 eV

Air shower observation Model uncertainty in hadron interactions at UHE Air Florescence telescope (FD) EM component (most of energy) Shower max height Sensitive to composition Scintillation lights Shower directions Shower max height Floresense detectors Surface Detectors (SD) Number of particles Arrival timing Muon or EM component ( at given altitude)

ハドロン物理から宇宙線・宇宙物理へのインパクトハドロン物理から宇宙線・宇宙物理へのインパクト • 重原子核 • 加速限界 or photo disintegration でカットオフ • 最高エネルギー宇宙線 • 陽子 • ＧＺＫでカットオフ • 到来方向（銀河磁場に対して直進するなら>1019eV陽子）粒子数スペクトル断面積 etc. 「陽子と思えるんだが、　　　　　　鉄っぽいデータはどうしたものか…」「大気蛍光と地表検出器でエネルギーも合ってない」

Energy scale issue; GZK cut off feature in AGASA, HiRes and AUGER （2007 summer） Energy scaling by +-25% AGASA HiRes AUGER c.f. Energy scale was determined by fluorescence detector J. Bluemer @ICRR, Mar. 2008

① Inelastic cross section If large s rapid development If small s deep penetrating Shower max height Sensitive to composition ② Forward energy spectrum (or Inelasticity k ) If large k rapid development If small k deep penetrating Need both ① and ② LHCｆ is dedicated to ② ① will be give by RomanPod at LHC

Compact calorimeter 96mm 140m 96mm The LHCf experiment IP1 ATLAS 140m LHCf 140m 衝突点 TAN TAN absorber

140 m 140 m Beam line Arm#2 Detector 25mmx25mm+32mmx32mm 4 Silicon strip tracking layers Arm#1 Detector 20mmx20mm+40mmx40mm 4 SciFi tracking layers LHCf: location and detector layout Detector II Tungsten Scintillator Silicon mstrips Detector I Tungsten Scintillator Scintillating fibers INTERACTION POINT IP1 (ATLAS) 44X0, 1.6 lint

The p0 peak at 7TeV Silicon layer LHCf Preliminary s :6.7MeV Arm1 7TeV Scintillator layers Silicon layer LHCf Preliminary Scintillator layers Tower 32mm 25mm Arm1 7TeV Arm2 event display

“Very” preliminary spectra from 900GeV runs in 2009 Normalized by gamma-like entry MC(QGSJET2) • Reasonable agreement with MC • Conservative systematic error for energy scale +10% -4% assigned • Checking detector response for hadron showers by SPS 350,150GeV p data Data Hadron response under study Sys.+Sta. Adding May 900GeV runs, 100K showers now (Dec09 x15) !

Very forward – connection to low-x physics Low-x high-x Very forward 陽子Ｐ陽子Ｐ

まとめ • 宇宙線はなにか新しい物理のヒントをくれることがある。 • 宇宙線の研究には原子核ハドロンの正確な知識が不可欠。特に超前方 • ＬＨＣで超前方測定を行うＬＨＣｆ実験を行っている。データ取得はもうすぐ完了 • この超前方データがハドロン物理にもどのようなインパクトがあるのか考えて行きたい

The LHCf Collaboration Y.Itow, K.Kawade, T.Mase, K.Masuda, Y.Matsubara, G.Mitsuka, T.Sako, K.Taki Solar-Terrestrial Environment Laboratory, Nagoya University, Japan K.Yoshida Shibaura Institute of Technology, Japan K.Kasahara, M.Nakai, S.Torii Waseda University, Japan T.Tamura Kanagawa University, Japan Y.Muraki Konan University, Japan Y.Shimizu ICRR, University of Tokyo,Japan M.Haguenauer Ecole Polytechnique, France W.C.Turner LBNL, Berkeley, USA O.Adriani, L.Bonechi, M.Bongi, R.D’Alessandro, M.Grandi, H.Menjo, P.Papini, S.Ricciarini, G.Castellini, A. Viciani INFN, Univ. di Firenze, Italy A.Tricomi INFN, Univ. di Catania, Italy J.Velasco, A.Faus IFIC, Centro Mixto CSIC-UVEG, Spain D.Macina, A-L.Perrot CERN, Switzerland

290mm Arm#1 Detector 90mm Arm#2 Detector LHCf calorimeters

宇宙線と原子核ハドロンの狭間 ～ニュートリノ、そして超前方散乱～