The LHCf Experiment CONTENTS 1, Physics 2, Detector Concept 3, LHCf Detectors 4, Calibration 5, LHCf Operation (6, Absolute Cross Section) 2008 年 3 月 15 日（土） Air Shower MC Mini ICRR SAKO Takashi (STE Lab., Nagoya University) for the LHCf collaboration Hardware の話中心。 MC ベースの話は毛受トークで。

K.Fukui, Y.Itow, T.Mase, K.Masuda, Y.Matsubara, H.Menjo, T.Sako, K.Taki, H.Watanabe Solar-Terrestrial Environment Laboratory, Nagoya University, Japan K.Yoshida Shibaura Institute of Technology, Japan K.Kasahara, M.Mizuishi, Y.Shimizu, S.Torii Waseda University, Japan T.Tamura Kanagawa University, Japan Y.Muraki Konan University M.Haguenauer Ecole Polytechnique, France W.C.Turner LBNL, Berkeley, USA O.Adriani, L.Bonechi, M.Bongi, R.D’Alessandro, M.Grandi, P.Papini, S.Ricciarini, G.Castellini 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 The LHCf Collaboration (31 人 )

LHCf 資料 Official HP 上記 HP から論文入手可（ NIM および国際会議 proceedings ） Technical Design Report HP から入手可 Adriani et al., JINST (Journal of Instrumentation) LHC 特 集号に投稿準備中

1, Physics 超高エネルギー空気シャワーを正しく理解す るための LHC 加速器による 0 度方向断面積決 定 Lab 系で eV の陽子陽子衝突 中性粒子（ γ 、 n 、 γ pair からの π 0 ）の測定 既存モデルの有意な判定 ( 図 ) ⇒新モデル構築のための高精度断面積データ 断面積絶対値は他測定に依存 ( 時間があれば 最後にコメント )

モデル弁別

2, Detector Concept LHC における 0 度測定環境 Detector への要求 － Aperture （空間的制限）によるコンパクト化 －多重度軽減のためのコンパクトカロリーメー ター －イメージングカロリーメーター （多重イベント同定、もれ補正、 運動量決定、 invariant mass reconstruction ）

Installation Slot & Aperture interaction point 1 140m 96mm Beam pipe TAN (Neutral absorber) 上から装置を差し込める 2ndary charged 2ndary neutral

Installation Slot & Aperture interaction point 1 140m 96mm Beam pipe TAN (Neutral absorber) 上から装置を差し込める flux peak 1 flux peak 2 IP 側から見た断面図

Double tower imaging calorimeter ２つの独立な小型カロリーメータ (tower) の使用 (<5% resolution) － 1 tower への multi hit 事象の低減 － 2 tower への同時事象から π 0 →2γ を検出可能 － タングステンとプラスチックシンチレータによるサンプリングカロリー メーター （タングステン 1r.l.=3.5mm, モリエール半径 9mm ） 位置検出層による imaging 化 (<0.2mm resolution) －イベントごとの Pt 測定 － π 0 invariant mass 構成による π 0 断面積測定 －シャワー粒子もれ補正

3, The LHCf Detectors Double arm detectors redundancy 、 BG 除去、 aperture 特性の違い、 読み出し方法の違い Calorimeter compact で wide dynamic range SciFi, silicon strip detector Manipulator

Double Arm Detectors

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

Double Arm Detectors Arm#1 Detector 20mmx20mm+40mmx40mm SciFi による位置検出 Arm#2 Detector 25mmx25mm+32mmx32mm Silicon strip による位置検出

Aperture Arm#2 Detector Crossing angle 0 で aperture 最大 Arm#1 Detector Non zero crossing angle + 縦移動で aperture 最大

Manipulator DC motor による駆動 光学エンコーダ（放射線に弱い ! ）による位置測定 リニアポテンシオメータ（可変抵抗）値による位置測定 名大理学部装置開発室と共同開発 Robust & Low-tech 全て 200m 先の control room から制御が必要

Calorimeter n, gamma 44 radiation lengths, 1.7 hadron interaction lengths 16 sampling scintillators 4 position layers (2 for EM, 2 for hadron) GeV gamma に対して <5% の分解能

Calorimeter デザインのポイント 7TeV shower max ( 約 70,000 particle) まで極力 線形出力が得られること －線形領域の広い PMT とブリーダーの改造 －少光量・低ゲインでのオペレーション －時定数の遅いシンチレーター 1 particle calibration ができること －あまり少光量ではだめ Wide dynamic range での線形性を calibration できること － PMT サチュレーションは波形に依存するので、 LED で はだめ

Scintillator & PMT Plastic scintillator Eljen Technology, EJ-260 発光時定数 9.6ns ( 遅い発光で PMT のサチュ レーションを緩和 ) PMT HAMAMATSU R7400U 17mmφ 5% linearity <30mA デバイダ改造で dynamic range 拡張

Laser Calibration Wide dynamic range (7TeV shower peak で 70,000 particle 相当。かつ、 1MIP も 見たい ) でのリニアリティーを どう確保するか －粒子線による試験は不可能 － LED も不可 － 337nm 紫外レーザー ( 宇翔 KEN1020 ； 0.3nsec pulse) によ るシンチレータ励起。シンチレータ発光を ND フィルターで減 光し dynamic range を確保。 0.3nsec<<9.6nsec のため、粒子 による励起と同じ波形を示す。 －粒子数（ energy deposit ）への換算は beam test で行う。

紫外レーザーによ る dynamic range linearity calibration

位置検出器 1(SciFi & MAPMT) SciFi Kuraray SCSF-38, 1mm□ MAPMT HAMAMATSU H7546 (64anode) Front End Circuit (analog ASIC, VA chip) developed for BETS, CALET

位置検出器 2(Silicon strip & Hibrid) 80μm ピッチ（読み出しは 160μm ごと） 285μm 厚 Si + 500μm Al PACE3 chip developed by CMS (shaping amp + analog memory) イタリア、フィレンツェ大が担当

4, Calibration Laser calibration (relative calibration) 済 Absolute calibration at SPS Energy resolution Position resolution Radiation damage

Beam CERN SPS ADAMO Detector Trigger Scintillator DAQ p,e-,mu Detector (Arm#1 or Arm#2) Calorimeter Silicon Tracker (ADAMO) Trigger Scintillator Moving Table electron (50-200GeV), proton ( GeV), muon ( GeV) proton + C target -> π 0 -> γ + γ

Energy Calibration 150GeV electron に対してデータ と MC から ADC/dE 係数をチャンネ ル毎に算出 左記係数でミューオンデータを比 較 （ゲインの違いはレーザーキャリ ブレーションの結果を利用）

Energy Resolution ← low gain; 7TeV までの測定用 ← high gain; 低エネルギー側の 精密測定用 High, low gain ともに ＞ 100GeV で ＜ 5% を達成 MC と実験の差は noise (pedestal fluctuation) で説明可能 （上図では考慮してない）

Position Resolution X-position (mm) σ= (mm) Lateral 分布からシャワー コアの位置を求め、粒子 入射位置とのずれを求め る (SPS の場合 ) 200GeV 電子について SciFi mm Silicon 0.05mm

Radiation damage log 10 (Luminosity) LHCf operation 3 days

Radiation Damage Test

Laser Monitor Plastic scinti に ファイバーをさし、レーザー光を導入 シンチ出力をモニタしダメージ分を補正

５, LHCf operation Radiation damage から L<10 30 cm -2 s -1 で <1week (LHC の到達点は ) エレキの制限から ≧ 2μsec 間隔でのイベン ト （ LHC の到達点は 25nsec 間 隔） 上記条件は、 LHC commissioning 時に実現 43 bunch (2μsec 間隔 ) 、 L<10 30 cm -2 s -1

LHCf event rate L=10 29 cm -2 s -1, σ inela = 100mb とすると、 collision rate = Lσ inela = 10 4 s -1 LHCf への aperture ～ 0.1 LHCf event rate = 10 3 s events/17min DAQ の達成 rate が ～ 1kHz π0, double arm event ～ × events/3hour

Run シナリオ (official には )6 月半ばにビームを入れる 2 ヶ月ほどマシンの調整の後 first collision 早くて 9 月ごろ、 LHCf に条件で測定 時間が許されれば、 crossing angle をつける、 Pt のサーベイをする、というオプション 最初のマシンメンテナンスで装置撤去 1 年目のマシンシャットダウンの後、再度インス トールし、 commissioning にあわせて再測定（希 望） 将来の原子核衝突での測定

6, Absolute Cross Section R = σL : definition of L R は観測量 L= f n 1 n 2 /(4πσ x σ y ) : beam 情報が完全にわ かっていれば計算可能 （～ 10% ） σ が既知の事象 (Z, W production) の計数率 から L を計算 (high L で ATLAS が実施 ) LHCf 運転時に ATLAS との同時事象を記録 しておき、後から LHCf 運転時の L を計算す る （～ 1%? ） TOTEM, ATLAS Roman Pot が σ tot を測定

backup

Leak correction (MC)

Leak correction (experiment)