L’esperimento LHCf 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)
 IL POSSIBILE CONTRIBUTO INFN
Oscar Adriani
INFN Sezione di Firenze - Dipartimento di Fisica dell’Università degli Studi di Firenze
Sesto Fiorentino - 29 Marzo 2004
Presentazione dell’esperimento LHCf
La Collaborazione LHCf
O. Adriani(1), L. Bonechi(1), M. Bongi(1), A. Faus(2), M.
Haguenauer(3), K. Kasahara(4), K. Masuda(5), Y. Matsubara(5), Y.
Muraki(5), Y. Obata(5), T. Sako(5), T. Tamura(6), K. Tanaka(5), S.
Torii(6), W.C. Turner(7), J. Velasco(2), K. Yoshida(6)
LHC at CERN
(1) Università di Firenze, Italia
(2) IFIC, Centro Mixto CSIC-UVEG, Valencia, Spain
(3) Ecole - Polytechnique, Paris, France
(4) Shibaura Inst. of Techn., Saitama, Japan
(5) STE laboratory, Nagoya University, Japan
4.3 km
(6) Kanagawa University, Yokohama, Japan
(7) LBNL, Berkeley, California, USA
Deriva dalla collaborazione CERN UA7 che ha effettuato uno studio della
produzione di  e 0 a basso angolo (E = 1014 eV nel laboratorio)
Sesto Fiorentino - 29 Marzo 2004
Presentazione dell’esperimento LHCf
Stato conoscitivo dei raggi cosmici primari
PROFONDITA DEL MASSIMO DELLO SCIAME
Composizione, origine e accelerazione...
ENERGIA DEL RC PRIMARIO
GZK cutoff: 1020 eV
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Presentazione dell’esperimento LHCf
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!!!
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Presentazione dell’esperimento LHCf
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   ln tan 2 ,
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)
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Presentazione dell’esperimento LHCf
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)
pl*
xcm  *
pMAX
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
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Presentazione dell’esperimento LHCf
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
(ATLAS) e IR8 (LHCb)
interno:
95mm
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Presentazione dell’esperimento LHCf
IR1
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
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Presentazione dell’esperimento LHCf
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
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Presentazione dell’esperimento LHCf
Struttura del rivelatore: sezione trasversale
Hamamatsu
MAPMT per fibre
scintillanti
PMTs per
scintillatori
Fibre
scintillanti
y ≈ 7.8
4cm
Fibre per
readout di
scintillatori
y ≈ 8.5
3cm
y ≈ 9.9
2cm
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BEAM CENTER
Presentazione dell’esperimento LHCf
Range di rapidità
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
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Presentazione dell’esperimento LHCf
Struttura longitudinale del rivelatore
Assorbitore
50 strati di tungsteno,
ciascuno di 3.5 mm di
spessore
(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 mm (diametro)
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Presentazione dell’esperimento LHCf
SIMULAZIONE
DEL CALORIMETRO
La
simulazione
presentata
è
stata
effettuata dai gruppi di ricerca giapponesi
utilizzando un programma “custom”
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Presentazione dell’esperimento LHCf
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
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QUESTA REGIONE È INTERESSATA
IN PREVALENZA DAI RILASCI DI
ENERGIA DOVUTI AD EVENTI DI
MUONI O ADRONI
Presentazione dell’esperimento LHCf
Conteggio dei secondari prodotti dai γ
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Presentazione dell’esperimento LHCf
DISCRIMINAZIONE DI PARTICELLE
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Presentazione dell’esperimento LHCf
Rivelazione dei singoli fotoni
Porzione dello spettro in PT
dei fotoni di diversa energia
osservabili con LHCf
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Presentazione dell’esperimento LHCf
Rivelazione dei
singoli fotoni
~ 0.1  con E>100 GeV
per ogni interazione
Alcune ore di presa dati
con L=1029 cm-2s-1 dovrebbero
essere sufficienti
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Presentazione dell’esperimento LHCf
Rivelazione dei 2 fotoni del decadimento del 0
(
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) cm2
Presentazione dell’esperimento LHCf
Eventi multipli/contaminazione in energia
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Presentazione dell’esperimento LHCf
Simulazioni: ricostruzione dell’energia dei γ e risoluzione
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Presentazione dell’esperimento LHCf
Il prototipo del calorimetro
PIANI DI FIBRE
SCINTILLANTI
PIANI DI
SCINTILLATORE
IL SISTEMA
COMPLESSIVO
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Presentazione dell’esperimento LHCf
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 ENTRO METÀ DEL 2005 :
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)
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Presentazione dell’esperimento LHCf
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
MISURE DI PROTONI
MISURE DI MUONI
(50÷250) GeV/c
(150÷350) GeV/c
(150) GeV/c
SCAN x-y DEL RIVELATORE (STUDIO
DISTANZA DAL BORDO DEL CALORIMETRO)
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DELLE DIPENDENZE DALLA
Presentazione dell’esperimento LHCf
Le facce di LHCf - SPS H4, Lug-Ago 2004
EM Calorimeter K.Kasahara
T.Sako
T.Tamura
O.Adriani
L.Bonechi
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K.Masuda
K.Yoshida
M.Bongi
S.Torii
Y.Obata
Si Tracker
K.Tanaka
M.Haguenauer W.Turner
Presentazione dell’esperimento LHCf
Gli apparati in esame
Calorimetro
(Japan)
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Sistema tracciante
(INFN Firenze -Pamela)
Presentazione dell’esperimento LHCf
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
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Presentazione dell’esperimento LHCf
Risultati del test del calorimetro: risoluzione energetica
Elettroni 200 GeV
Corrected
Energy
Risultato dopo la correzione per
l’effetto di leakage. La correzione
risulta efficace fino a circa 1.5 mm
dal bordo
Normalized
mean energy
Raw Energy
Effetto distorsivo sulla ricostruzione
dell’energia dovuto al mancato
contenimento dello sciame (uscita
dalle pareti laterali del calorimetro)
Valore medio dell’energia ricostruita
dopo la correzione (normalizzato a
200 GeV)
RMS
Preliminary!!!
RMS della distribuzione:
Risoluzione energetica
DISTANZA DAL BORDO (mm)
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Presentazione dell’esperimento LHCf
Schema del rivelatore tracciante
utilizzato per il test preliminare del 2004
4 5
3
1 2
x

z
O

Particella incidente
y
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Rivelatori a microstrisce
di silicio
Residui: vista x (xmis-xval)
Plane 1
Plane 2
(in m)
(in m)
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Residui: vista y (ymis-yval)
Plane 1
(in m)
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Distribuzione dei segnali e 2 del fit rettilineo
Distrib. di Landau dei
segnali sul piano 1
Distrib. del 2 relativo
al fit delle tracce
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Ricostruzione del punto di impatto
sul piano centrale (z  0)
Presa dati complessiva
in varie posizioni
(cm)
(cm)
Presa dati in una
singola posizione
(cm vs cm)
(cm vs cm)
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Ricostruzione della traiettoria:
distribuzioni di sin() e 
  185.5º
1.4º
2.2º
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POSSIBILE CONTRIBUTO INFN-Firenze

L’interesse scientifico per l’esperimento è legato alle attività di Gruppo 2 (Fisica
dei raggi Cosmici) nelle quali il gruppo di Firenze è coinvolto (Wizard/Pamela,
EUSO, attività future sulla Fisica del Ginocchio...)

Il gruppo di Firenze ha acquisito competenze tecnologiche su sistemi traccianti
(Tracker di Pamela) e su tecniche di analisi e di simulazione per Raggi Cosmici
1)
SVILUPPO DI UN SISTEMA TRACCIANTE DI RIVELATORI AL SILICIO:

MIGLIORE RICOSTRUZIONE SPAZIALE DEGLI SCIAMI (PUNTO DI IMPATTO)

VERIFICA DEL CONTENIMENTO DEGLI SCIAMI NEL RIVELATORE
2)
REALIZZAZIONE DI UNA SIMULAZIONE COMPLETA SIA DEL
RIVELATORE CHE DEI FONDI DI MACCHINA PER LO STUDIO DI
FATTIBILITÀ DELL’ESPERIMENTO E PER LA SUA OTTIMIZZAZIONE
3)
CONTATTI CON LHC E IL CERN
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Presentazione dell’esperimento LHCf
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Presentazione dell’esperimento LHCf
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Presentazione dell’esperimento LHCf
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Presentazione dell’esperimento LHCf
Richieste finanziarie 2005
A) MISSIONI
 1 MESE UOMO DI TRASFERTA AL CERN = 4000 €

CONTATTI CON I GRUPPI GIAPPONESI . DUE VIAGGI DI DUE
PERSONE PER UNA DURATA DI 7 GIORNI A VIAGGIO = 7000 €
B) SVILUPPO DEL PROTOTIPO DEL RIVELATORE TRACCIANTE
1) ACQUISTO DI SENSORI PER UN PROTOTIPO DEL RIVELATORE, PER UN
TOTALE DI 6000€
2) ACQUISTO DI CHIP PER ELETTRONICA DI FRONT-END PER UN
TOTALE DI 3000€
LE RICHIESTE SONO STATE FATTE SOTTO DOTA1
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Presentazione dell’esperimento LHCf