Presentazione dell’esperimento LHCfAssisi - 24 Settembre 2004
L’esperimento L’esperimento LHCf LHCf ad LHC ad LHC
Oscar AdrianiINFN Sezione di Firenze - Dipartimento di Fisica dell’Università degli Studi di Firenze
INTRODUZIONEINTRODUZIONE
LA FISICA DI LHCfLA FISICA DI LHCf
L’APPARATO SPERIMENTALEL’APPARATO SPERIMENTALE
STUDIO E SIMULAZIONE DEL RIVELATORESTUDIO E SIMULAZIONE DEL RIVELATORE
TEST AL CERN TEST AL CERN (LUGLIO/AGOSTO 2004)(LUGLIO/AGOSTO 2004)
IL POSSIBILE CONTRIBUTO INFNIL POSSIBILE CONTRIBUTO INFN
Studio delle sezioni d’urto di produzioneStudio delle sezioni d’urto di produzionedi pioni neutri nella regione “ di pioni neutri nella regione “ very forwardvery forward ” ”
ad un’energia equivalente di 10ad un’energia equivalente di 101717 eV nel laboratorio eV nel laboratorio
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La Collaborazione LHCfLa Collaborazione LHCfO. 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)
(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
(6) Kanagawa University, Yokohama, Japan
(7) LBNL, Berkeley, California, USA
LHC at CERN
Switzerland
France
4.3 km
Deriva dalla collaborazione CERN UA7 che ha effettuato uno studio della produzione di e 0 a basso angolo (E = 1014 eV nel laboratorio)
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Stato conoscitivo dei raggi cosmici primariStato conoscitivo dei raggi cosmici primariComposizione, origine e accelerazione...Composizione, origine e accelerazione...
GZK cutoff:GZK cutoff: 10 102020 eV eV
PR
OF
ON
DIT
A D
EL
MA
SS
IMO
DE
LL
O S
CIA
ME
ENERGIA DEL RC PRIMARIO
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Gli eventi di energia estrema Gli eventi di energia estrema ((HiResHiRes e AGASA) e AGASA)
GZK cutoff:GZK cutoff: 10 102020 eV eV
AGASAAGASAvsvs
HiResHiRes
super GZK super GZK events?!?events?!?
Dopo correzione del 15% sulla scala assoluta di energia!!!
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• 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 = 5÷7) sono quelle di UA7
• LHCf consente di estendere le misure fino a EElablab=10=101717 eV eV (energia equivalente nel s.d.r. del laboratorio, Elab= E2
cm(LHC)/2 mP)
Sviluppo di sciami atmosfericiSviluppo di sciami atmosferici
2tanln y
Simulazione di uno sciame atmosferico iniziato da un protone di 1019 eV.
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Studio dello sviluppo degli sciami atmosfericiStudio dello sviluppo degli sciami atmosfericiNon 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)
*
*
MAX
lcm p
px
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
Livello del mare
Fattore 2 di discrepanza
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• 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 IR1 (ATLASATLAS) e IR8 (LHCbLHCb)
Metodo sperimentale propostoMetodo sperimentale proposto
interno:95mm
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È l’assorbitore per le particelle neutre che provengono dalla regione di interazione ed è alloggiato all’interno della recombination chamber
La regione della TANLa regione della TAN
recombination chamber : è la regione in cui il tubo a vuoto si divide per guidare separatamente pp
Un’apertura nel coperchio Un’apertura nel coperchio superiore permette di superiore permette di inserire o estrarre il inserire o estrarre il contenuto agendo dall’altocontenuto agendo dall’alto
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)
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Il rivelatore proposto sinora dal gruppo giapponese (di cui già esiste un prototipo funzionante) consiste in un calorimetro elettromagnetico suddiviso in tre sezioni:
L’apparato sperimentale di LHCfL’apparato sperimentale di LHCf
Tre torri con identica struttura nella direzione di moto delle particelle, ma con dimensioni trasversali diverse
Dimensioni max
(90(90 × 335 × 290) mm × 335 × 290) mm33
Il calorimetro dovrebbe sostituire tre spessori di rame di 10 cmLA GEOMETRIA SELEZIONATA È DETERMINATA DALLA
RISTRETTEZZA DELLO SPAZIO A DISPOSIZIONE NELLA TAN!!
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Struttura del rivelatore: sezione trasversaleStruttura del rivelatore: sezione trasversale
Hamamatsu MAPMT per fibre
scintillanti
PMTs per scintillatori
4cm
3cm
2cm BEAM CENTERBEAM CENTER
y ≈ 9.9y ≈ 9.9
y ≈ 8.5y ≈ 8.5
y y ≈≈ 7.8 7.8
Fibre scintillanti
Fibre per readout di
scintillatoriRange di rapidità
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AssorbitoreAssorbitore
50 strati di tungsteno, 50 strati di tungsteno, ciascuno di 3.5 mm di ciascuno di 3.5 mm di spessore spessore
(W: X(W: X00 = 3.5mm, R = 3.5mm, RMM = 9mm) = 9mm)
ScintillatoriScintillatori
Sistema di Sistema di triggertrigger e misura e misura dell’energia rilasciata dallo dell’energia rilasciata dallo sciame a varie profondità sciame a varie profondità nel calorimetronel calorimetro
Fibre scintillantiFibre scintillanti
Determinazione del profilo Determinazione del profilo spaziale dello sciame con spaziale dello sciame con fibre di 1 mm (diametro)fibre di 1 mm (diametro)
Struttura longitudinale del rivelatoreStruttura longitudinale del rivelatore
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SIMULAZIONEDEL
CALORIMETROLa simulazione presentata è stata effettuata dai gruppi di ricerca giapponesi (programma ‘custom’)
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Sviluppo degli eventi nel calorimetroSviluppo degli eventi nel calorimetro
SCIAME PRODOTTO DA UN RAGGIO SCIAME PRODOTTO DA UN RAGGIO GAMMA DI ALTA ENERGIAGAMMA DI ALTA ENERGIA: IL RILASCIO DI ENERGIA È LIMITATO AI PRIMI SCINTILLATORI, PERCHÉ LO SCIAME SI ESAURISCE IN POCHE LUNGHEZZE DI RADIAZIONE
QUESTA REGIONE QUESTA REGIONE È INTERESSATA È INTERESSATA IN PREVALENZA DAI RILASCI DI IN PREVALENZA DAI RILASCI DI ENERGIA DOVUTI AD EVENTI DI ENERGIA DOVUTI AD EVENTI DI MUONI O ADRONIMUONI O ADRONI
INCIDENT γ - RAY
54 r.l.
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Conteggio dei secondari prodotti dai Conteggio dei secondari prodotti dai γγ
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DISCRIMINAZIONE DI PARTICELLEDISCRIMINAZIONE DI PARTICELLE
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Porzione dello spettro in PT dei fotoni di diversa energia osservabili con LHCf
Rivelazione dei singoli fotoni
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~0.1 con E>100 GeV per ogni interazione
Rivelazione dei singoli
fotoni
Alcune ore di presa dati con L=1029 cm-2s-1 dovrebberoessere sufficienti
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Rivelazione dei 2 fotoni del decadimento del 0
( ) cm2
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Eventi multipli/contaminazione in energia
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Simulazioni: ricostruzione dell’energia dei Simulazioni: ricostruzione dell’energia dei γγ e e risoluzionerisoluzione
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Il prototipo del calorimetroIl prototipo del calorimetro
PIANI DI FIBRE SCINTILLANTI
PIANI DI SCINTILLATORE
IL SISTEMA COMPLESSIVO
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LHCf LHCf - - scheduleschedule ESPERIMENTO APPROVATO DA Ministery of Education IN ESPERIMENTO APPROVATO DA Ministery of Education IN
GIAPPONE nell’ambito dello studio dei RC di altissima energia (TA)GIAPPONE nell’ambito dello studio dei RC di altissima energia (TA)
4 MAGGIO 2004: 4 MAGGIO 2004: LETTER OF INTENTLETTER OF INTENT a a LHC CommitteeLHC Committee ((LHCCLHCC))
ESPERIMENTO APPROVATO DA LHCCESPERIMENTO APPROVATO DA LHCC
RICHIESTI DA RICHIESTI DA LHCCLHCC ENTRO METÀ DEL 2005 : ENTRO METÀ DEL 2005 :
1)1) BEAM TEST BEAM TEST per lo studio della risoluzione energetica del rivelatore per lo studio della risoluzione energetica del rivelatore
(definizione della regione fiduciale)(definizione della regione fiduciale)
2) simulazione per2) simulazione per lo lo STUDIO DEI FONDISTUDIO DEI FONDI di macchina di macchina
3) 3) TECHNICAL DESIGNTECHNICAL DESIGN dell’apparato completo dell’apparato completo
TEST AL CERN (SPS) EFFETTUATO IN LUGLIO/AGOSTO 2004 TEST AL CERN (SPS) EFFETTUATO IN LUGLIO/AGOSTO 2004
(misurata la risoluzione in energia per elettroni fino a 200 GeV; misurati (misurata la risoluzione in energia per elettroni fino a 200 GeV; misurati
inoltre adroni e muoni)inoltre adroni e muoni)
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TEST SU FASCIOLUGLIO - AGOSTO 2004
SPS-H4 2 TORRI (2×2 e 4×4)cm2 + SISTEMA TRACCIANTE (telescopio di test sviluppato per PAMELA)
MISURE DI ELETTRONIELETTRONI (50÷250) GeV/c MISURE DI PROTONIPROTONI (150÷350) GeV/c MISURE DI MUONIMUONI (150) GeV/c
SCAN x-y DEL RIVELATORE (STUDIO DELLE DIPENDENZE
DALLA DISTANZA DAL BORDO DEL CALORIMETRO)
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T.Sako K.TanakaK.Yoshida Y.ObataT.Tamura
O.Adriani L.Bonechi W.TurnerM.HaguenauerM.Bongi
S.ToriiK.MasudaK.KasaharaEM Calorimeter Si Tracker
Le facce di LHCf - SPS H4, Lug-Ago 2004
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Gli apparati in esameGli apparati in esame
Sistema tracciante Sistema tracciante (INFN Firenze -Pamela)(INFN Firenze -Pamela)
Calorimetro Calorimetro (Japan)(Japan)
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Risultati del test: profilo longitudinale degli Risultati del test: profilo longitudinale degli sciamisciami
200GeV/c electron fully content 200GeV/c electron partially content
50GeV/c electron fully content 350GeV/c proton
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Effetto distorsivo sulla ricostruzione Effetto distorsivo sulla ricostruzione dell’energia dovuto al mancato dell’energia dovuto al mancato contenimento dello sciame (uscita contenimento dello sciame (uscita dalle pareti laterali del calorimetro)dalle pareti laterali del calorimetro)
DISTANZA DAL BORDO (mm)DISTANZA DAL BORDO (mm)
Risultato dopo la correzione per Risultato dopo la correzione per l’effetto di l’effetto di leakageleakage. La correzione . La correzione risulta efficace fino a circa 1.5 mm risulta efficace fino a circa 1.5 mm dal bordodal bordo
Valore medio dell’energia ricostruita Valore medio dell’energia ricostruita dopo la correzione (normalizzato a dopo la correzione (normalizzato a 200 GeV)200 GeV)
RMS della distribuzione: RMS della distribuzione: Risoluzione energeticaRisoluzione energetica
Risultati del test: risoluzione energeticaRisultati del test: risoluzione energeticaElettroni 200 GeVElettroni 200 GeV
Raw
Ene
rgy
Cor
rect
ed E
nerg
yN
orm
aliz
ed
mea
n en
ergy
RM
S Preliminary!!!
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POSSIBILE CONTRIBUTO INFNPOSSIBILE CONTRIBUTO INFN L’interesse scientifico per l’esperimento L’interesse scientifico per l’esperimento è legato alle attività di Gruppo 2 (Fisica è legato alle attività di Gruppo 2 (Fisica
dei raggi Cosmici) nelle quali il gruppo di Firenze dei raggi Cosmici) nelle quali il gruppo di Firenze è coinvolto (Wizard/Pamela, è coinvolto (Wizard/Pamela,
EUSO, attivitEUSO, attività future sulla Fisica del Ginocchio...)à future sulla Fisica del Ginocchio...)
Il gruppo di Firenze ha acquisito competenze tecnologiche su sistemi traccianti 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(Tracker di Pamela) e su tecniche di analisi e di simulazione per Raggi Cosmici
1)1) SVILUPPO DI UN SVILUPPO DI UN SISTEMA TRACCIANTE DI RIVELATORI AL SISTEMA TRACCIANTE DI RIVELATORI AL
SILICIOSILICIO:: MIGLIORE RICOSTRUZIONE SPAZIALE DEGLI SCIAMI (PUNTO DI IMPATTO)MIGLIORE RICOSTRUZIONE SPAZIALE DEGLI SCIAMI (PUNTO DI IMPATTO)
VERIFICA DEL CONTENIMENTO DEGLI SCIAMI NEL RIVELATOREVERIFICA DEL CONTENIMENTO DEGLI SCIAMI NEL RIVELATORE
2)2) REALIZZAZIONE DI UNA REALIZZAZIONE DI UNA SIMULAZIONESIMULAZIONE COMPLETA SIA DEL COMPLETA SIA DEL
RIVELATORE CHE DEI FONDI DI MACCHINA PER LO STUDIO DI RIVELATORE CHE DEI FONDI DI MACCHINA PER LO STUDIO DI
FATTIBILITÀ DELL’ESPERIMENTO E PER LA SUA OTTIMIZZAZIONEFATTIBILITÀ DELL’ESPERIMENTO E PER LA SUA OTTIMIZZAZIONE
3) 3) CONTATTI CON LHC E IL CERNCONTATTI CON LHC E IL CERN
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Richieste finanziarie 2005Richieste finanziarie 2005A) MISSIONIA) MISSIONI
1 MESE UOMO DI TRASFERTA AL CERN 1 MESE UOMO DI TRASFERTA AL CERN = = 4000 €4000 €
CONTATTI CON I GRUPPI GIAPPONESI . DUE VIAGGI DI DUE CONTATTI CON I GRUPPI GIAPPONESI . DUE VIAGGI DI DUE
PERSONE PER UNA DURATA DI 7 GIORNI A VIAGGIO = PERSONE PER UNA DURATA DI 7 GIORNI A VIAGGIO = 7000 €7000 €
B)B) SVILUPPO DEL PROTOTIPO DEL SVILUPPO DEL PROTOTIPO DEL RIVELATORE TRACCIANTERIVELATORE TRACCIANTE1) 1) ACQUISTO DI SENSORI PER UN PROTOTIPO DEL RIVELATORE, PER ACQUISTO DI SENSORI PER UN PROTOTIPO DEL RIVELATORE, PER
UN UN TOTALE DI TOTALE DI 6000€6000€
2)2) ACQUISTO DI ACQUISTO DI CHIPCHIP PER ELETTRONICA DI PER ELETTRONICA DI FRONT-ENDFRONT-END PER UN PER UN
TOTALE DITOTALE DI 3000€3000€
LE RICHIESTE SONO STATE FATTE SOTTO DOTA1LE RICHIESTE SONO STATE FATTE SOTTO DOTA1
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