LHCｆ実験 名大STE研 﨏さこ 隆志 for the LHCf collaboration Contents 超高エネルギー宇宙線観測 宇宙線観測におけるハドロン相互作用モデル LHCf実験（実験概要、モデル判定、プラン） 「超高エネルギー宇宙線とハドロン構造2008」研究会 2008年4月25日,26日＠KEK　

High-Energy Cosmic-Rays 観測は別トーク参照 Observableは大気中の2次粒子 samplingされた粒子数, shower 形状, 2次粒子種分布, 到来方向 これらを説明するためのパラメータは source spectrum, source distribution, composition, propagation, interaction Interactionのみが”宇宙物理”の対象ではない

ハドロン相互作用モデルについて (Knapp, et al. , Astropart ハドロン相互作用モデルについて (Knapp, et al., Astropart. Phys, 19, 77-99, 2003; Stanev, “High Energy Cosmic Rays”, Springer　からのうけうり) QGSJET, DPMJETは Gribov-Regge theory (Phys. Rep., 100, 1-150, 1983) をベースにしている GBTはσinela, kinelaをフリーパラメータとはしていない SIBYLLは GBTと現象論モデルの中間 Accelerator dataのエラーも無視できない　(σinela @ √s =1800GeV = 72, 80 mb) Pseudo rapidity distribution (SppSでも異なる結果)

Pseudo rapidity distribution at SppS Charged: UA5 (黒丸)と P238(十字)で結果が違う π0: UA7 Feynman scalingを破らない

Model dependence for Observables (from Knapp) Atmospheric depth Number of particles Xmax Iron Proton Energy (eV) Xmax (g/cm2) Proton Iron Knapp et al. LHC 450GeV LHC 7TeV

最高エネルギー 宇宙線（観測） 弁別が不可欠 ２つの主要実験で結果が異なる 新たな巨大観測実験（TA, Auger）が近年中に解決する予定 しかし、 Major systematics of AGASA Total ±18% Hadron interaction (QGSJET, SIBYLL) < 10% (Takeda et al., 2003) 相互作用モデルの違いは、観測グループには抑えられない ⇒　　加速器実験によるモデルの 　　　　　　　　　弁別が不可欠 1019eV 1020eV log(Energy) 微分フラックス HiRes-1 mono HiRes-2 mono AGASA

LHCでの測定 Gribov-Regge theoryの high energyでのキャリブレーション点を与える 　　　 － labo系で 1017 eV ー Gribov-Regge theory自身の妥当性の検証（フリーパラメータの範囲内でLHCの実験を説明できるか？）

The LHCf Collaboration 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, 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

空気シャワーにおける最前方粒子 No cut γ: x<0.05 Pi,K: x<0.1 ５×１０１９eVで最前方 の粒子を除いた場合 No cut γ: x<0.05 Pi,K: x<0.1 ( x=1 @ theta= 0 degree)

LHCにおける最前方粒子 θ psudorapidity：  = - ln (tan /2) 7TeV Proton Multiplicity(荷電粒子) Energy Flux 10 0.1 mrad LHCｆ coverage 8.4

LHCf Acceptance η> 8.4 η> 8.7

LHC&LHCf interaction point 1 140m 96mm Arm#1 Arm#2

2007年1月のインストール試験 TAN上面 TAN：鉄の塊で背後の超伝導 磁石を放射線から守る この96mmの幅の中に92mmの 装置を入れる

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

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

Calorimeter 44 radiation lengths, 1.7 hadron interaction lengths n, gamma 44 radiation lengths, 1.7 hadron interaction lengths 16 sampling scintillators 4 position layers (2 for EM, 2 for hadron) 100-7000GeV gammaに対して <5%の分解能

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　 全て200m先の control roomから制御が必要

Energy resolution (gamma-rays) 5% 1TeV ↑　MC simulation <7TeV ← SPS beam test <200GeV

Position resolution

LHCfでの測定 (η>8.4 に放出される中性粒子) Single arm events 　　single gamma-ray (主にπ0起源) 　　gamma-ray pair from π0 decay neutron (ΔE/E~30%) Double arm events Coincidence with ATLAS sub-detectors

LHCｆでの測定 単独では絶対断面積は測定できない（別にLuminosityが決まれば可能） 相対微分断面積（Pseudo rapidity分布, E分布、Pt分布）は測定可能 Inelasticityは (1-elasticity)として測定可能 　　　　　　　leading particleがもつエネルギー比率 宇宙線実験では、Λ= 14.6・k・mp/σp-airinel からk(inelasticisy)を仮定してσp-airinel　を求めているので、kを独立に決定することで σp-airinel　の決定に貢献できる。Λは空気シャワーの大気中での減衰長。（Knapp参照）

モデル弁別いろいろ

ガンマ線スペクトルを用いたモデル弁別 比較条件 ・同時入射イベントを除く ・縦軸ノーマリゼーション、 エネルギースケールを 　・同時入射イベントを除く 　・縦軸ノーマリゼーション、 　　エネルギースケールを 　　フリーパラメータとする。 χ2の定義 QGSJETII (400,000events) ⇔ QGSJET　 χ2= 58 (C.L. 77%) ⇔ DPMJET3 χ2= 73 (C.L. 29%) ⇔ SIBYLL χ2= 135 (C.L. 10-6) (900,000events ,DOF=69-2) α,β：ノーマリゼーション、エネルギースケールの 　　　　フリーパラメータ σ：統計誤差　N：スペクトルBin分割数

モデル弁別能力 θ~ 0 radian θ~ 270 μradian LHC立ち上げ時の低luminosity（1029cm-2s-1）でLHCfを1000秒運転したときに期待されるガンマ線のエネルギースペクトル

ガンマ線スペクトルを用いたモデル弁別 β-χ2 QGSJETII⇔SIBYLL χ2 β QGAJETII(400,000events) ⇔ QGSJET χ2= 107 (C.L. 88%) ⇔ DPMJET3χ2= 224 (C.L. 10-8) ⇔ SIBYLL χ2= 816 (C.L. <10-15) 900,000events DOF = 69+49-3=125 QGSJET2⇔DPMJET3,SIBYLL ２つのデータを合わせることで 差が顕著になる。

中性子を用いたモデル弁別 中性子スペクトルは、相互作用モデルごとの違いが大きい。 スペクトルを用いたモデル弁別： 分解能が悪いため、簡単ではない。 断面積を用いたモデル弁別：　 γ線イベントとの比を用いることで モデル弁別に有用 検出器への到来粒子エネルギー分布 エネルギー分解能考慮

π0スペクトルを用いたモデル弁別 QGSJETII ⇔ DPMJET3χ2= 106 (C.L. <10-6) 静止質量を再構成し、CUTを用いることで I.P.付近で生成されたπ0のみ選びだせる。 残留ガスによるBackgroundが予想以上に 多かった場合に有用 QGSJETII ⇔ DPMJET3χ2= 106 (C.L. <10-6) ⇔ SIBYLL χ2= 83 (C.L. <10-6) DPMJET3 ⇔ SIBYLL χ2= 28 (C.L.= 0.024) 107events DOF = 17-2=15

LHCf operation Radiation damageの制限から L<1030cm-2s-1で　　　　　　<1week　　(LHCの到達点は 1034) 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<1030cm-2s-1

LHCf event rate L=1029cm-2s-1, σinela = 100mb とすると、 　　collision rate = Lσinela = 104 s-1 LHCfへの aperture ～0.1 LHCf event rate = 103 s-1 106events/17min DAQの達成 rateが ～1kHz π0, double arm event ～×0.1 106events/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の条件で測定 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） 原子核衝突での測定 VLHC (x2, x3 LHC)　？？ 今年は5TeVまで ７TeV　ラン

まとめ 超高エネルギー宇宙線観測によって多様な宇宙の高エネルギー現象（ソース、伝播、etc）を解明できる。 地球大気中でのハドロン相互作用の不確定性が解釈の邪魔をする。 相互作用モデルは、”自由きまま”ではない。加速器実験によるチューニングが必要。 既存の加速器データのばらつきが大きく、高エネルギーへの外挿誤差が大きいことが問題。 LHCfはLHC(Elab=1017eV)において、最前方粒子の断面積を決め、既存モデルの良否を判定する。

Detector in place LHCf Luminosity Monitor (BRAN) ATLAS ZDC