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LHCf

LHCf. Misura della sezione d’urto di produzione di p 0 nella regione ‘very forward’ a LHC Energia equivalente nel laboratorio  10 17 eV. Oscar Adriani INFN Sezione di Firenze - Dipartimento di Fisica dell’Università degli Studi di Firenze. Fisica di LHCf

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Presentation Transcript

  1. LHCf Misura della sezione d’urto di produzione di p0 nella regione ‘very forward’ a LHCEnergia equivalente nel laboratorio  1017 eV Oscar Adriani 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

  2. 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 France Switzerland 4.3 km Collaborazione UA7 all’SPS (ELab = 1014 eV)

  3. Xmax(g/cm2) Energy (eV) Quali sono i principali problemi della fisica dei Raggi Cosmici di Alta Energia (E>1015eV) ? • Composizione • Spettro / GZK Cutoff

  4. GZK cutoff: 1020 eV Gli eventi di energia estrema super GZK events?!? Correzione del 15% sulla scala assoluta di energia

  5. Sviluppo degli sciami atmosferici Simulazione di uno sciame dovuto a un protone di 1019 eV • 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=1014 eV, y = 5÷7)

  6. Sviluppo longitudinale degli sciami DPMJET (3.03) QGSJET Ad-hoc 50% di discrepanza Livello del mare La misura diretta della sezione d’urto di produzione di p in funzione di pT (xcm) è essenziale per stimare correttamente l’energia dei RC primari

  7. LHC 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 Elab=1017 eV (Elab= E2cm/2 mP) LHCf coprirà la parte ‘very forward’ IP1 (Atlas) o IP8 (LHCB) Collisioni Pb-Pb???? LHCf è un tool per calibrare la simulazione

  8. 2 rivelatori indipendenti su entrambi i lati di IPX PUNTO DI INTERAZIONE IP1 (ATLAS) o IP8 (LHCb) Detector I Tungsteno Scintillatori Fibre scintillanti Detector II Tungsteno Scintillatore Silicon mstrips 140 m 140 m Beam line I rivelatori devono misurare energia e punto di impatto dei g dal decadimento dei p0 Calorimetri e.m. con layers sensibili alla posizione

  9. 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. Detector #1 3 torri con la stessa struttura longitudinale ma con differenti dimensioni trasversali 8X0 10X0 34X0 Dimensioni max (90 × 335 × 290) mm3 Assorbitore 20 layers di tungsteno, con spessori differenti (7 mm – 14 mm) (W: X0 = 3.5mm, RM = 9mm) Thicker sampling Thinner sampling Beam Fibre scintillanti 3 doppi strati di fibre 1 mm2 per misurare il profilo trasversale dello sciame Scintillatori Trigger e misura del profilo longitudinale di energia: 3 mm plastic scintillator

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

  12. 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. Detector #2 6.4 cm Silicon 6.4 cm W + Sci 4 cm 3 cm 2 cm Contributo INFN SciFi rimpiazzate da silicon mstrips detectors 64x64 mm2 Pitch 80 mm 3 double layers (x-y) 1 double layer di fronte al calorimetro Beam center

  14. Perché queste differenze? Vantaggi dei Silicon mstrips: • Misura del punto di impatto • Selezione di eventi ‘puliti’ (1 g) • Ricostruzione della massa invariante del p0 (energy calibration) Geometria diversa: • Differenti sistematiche • Diversa accettanza • Importante per ambiente ‘sconosciuto’ (LHC background????) Data taking comune !!! (fisica diffrativa)

  15. 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. Silicon mstrips readout Pace3 chips (Grazie a CMS preshower!!!!) • 32 canali • 25 ns peaking time • Grande range dinamico(> 400 MIP) • 192x32 analog pipeline

  17. Che performances ci aspettiamo da LHCf? Counting rate per g Risoluzione energetica Massima energia misurabile Counting rate per p0 Identificazione/reiezione dei neutroni Regioni cinematiche coperte .... Simulazione 2 simulazioni indipendenti:a) programma “custom” (Japan)b) Fluka (Italy) Test Beam

  18. Longitudinal shower profile (γ/n) Fluka E’ possibile misurare l’energia dei neutroni??? 1 TeV g fully contained

  19. Single g detection 1 g con 100 GeV<E<1 TeV ogni 15 interazioni di LHC (<100 msec) 1 g con E > 1 TeV ogni 50 interazioni di LHC Alcune ore di data taking a L=1029 cm-2s-1 dovrebbero essere sufficienti

  20. 2 fotoni dal decadimento del p0 2 g in 2 torri diverse 1 po con E>1 TeV ogni 1000 interazioni di LHC (<10 ms) Calibrazione assoluta di energia!!!!

  21. Fluka

  22. 500 GeV g in SciFi and Silicon Fluka

  23. Risoluzione spaziale per i fotoni 67 mm 15 mm Risoluzione delle fibre  500 mm

  24. Massa invariante del p0 Silicon mstrips SciFi s=2.0 MeV s=3.1 MeV M(p0) M(p0)

  25. Effetto della saturazione del preamplificatore Saturazione=400 MIPS (nella realtà molto meglio…) Massimo del segnale in una strip

  26. Risultati del test beam Necessario per verificare la simulazione (torre piccola 2x2 cm2!!!)SPS-H4 Luglio-Agosto 20042 Torri (2×2 and 4×4)cm2 + Tracking system per determinare il punto di impatto sulle torriELETTRONI (50÷250) GeV/cPROTONI (150÷350) GeV/cMUONI (150) GeV/cx-y Scan (Per studiare le sistematiche al variare della distanza dal bordo)

  27. Scintillating Fibers Scintillators plane

  28. Calorimeter (Japan) Tracking System (INFN Firenze -Pamela)

  29. Monte Carlo Correzioni per leakage N Particles MC Predice una leakage indipendente dall’energia! Test Beam Distanza dal bordo correction

  30. Risoluzione energetica

  31. 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

  32. Composizione del gruppo di ricerca Sezione di Firenze: Adriani Oscar P.A. 50% Bonechi Lorenzo Ass. 20% Bongi Massimo Dott. 100% D’Alessandro Raffaello P.A. 30% Papini Paolo Ric. INFN 30% Grandi Mauro Tecnico 40% Sezione di Catania: Tricomi Alessia Ric. Univ. 30% RFTE: 2.6 TTTE: 0.4

  33. Richieste Catania: MI: 1 kE ME: 3.7 kE Consumi: 1 kE Firenze:

  34. 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

  35. Multiple events/energy contamination

  36. DM ~ 2-3 MeV

  37. Rivelazione dei fotoni singoli Porzione dello spettro in PT dei fotoni misurabile da LHCf per vari range di energia

  38. Misure di energia e risoluzione energetica • Linearità fino a > TeV • DE/E ~ 2% • 15% energy loss @ 2 mm dal bordo (torre piccola) 1 3 2 Fluka Custom

  39. Profilo longitudinale degli sciami 200GeV/c electron fully contained 200GeV/c electron partially contained 50GeV/c electron fully contained 350GeV/c proton

  40. E=1019eV protons, Fe

  41. Double hit separation

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