lhcf

Napoli – 19 Settembre 2005 LHCf Oscar Adriani

LHCfLHCf

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

Misura della sezione d’urto di produzione di 0 nella regione ‘very forward’ a LHC

Energia equivalente nel laboratorio 1017 eV


La collaborazione LHCfLa collaborazione LHCfO. 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

Switzerland

France

4.3 km

Collaborazione UA7 all’SPS (ELab = 1014 eV)


Quali sono i principali problemi Quali sono i principali problemi della fisica dei Raggi Cosmici di della fisica dei Raggi Cosmici di

Alta Energia (E>10Alta Energia (E>101515eV) ?eV) ?

1. Composizione

Xm

ax(g

/cm

2)

Energy (eV)2. Spettro / GZK Cutoff


Gli eventi di energia estremaGli eventi di energia estrema

GZK cutoff:GZK cutoff: 10 102020 eV eV

super GZK super GZK events?!?events?!?

Correzione del 15% sulla scala assoluta di energia


• 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)

Sviluppo degli sciami Sviluppo degli sciami atmosfericiatmosferici

2tanln y

Simulazione di uno sciame dovuto a un protone di 1019 eV


Sviluppo longitudinale degli Sviluppo longitudinale degli sciamisciami

*

*

MAX

lcm p

px

La misura diretta della sezione d’urto di produzione di in funzione di pT (xcm) è essenziale per stimare

correttamente l’energia dei RC primari

Livello del mare50% di

discrepanza

DPMJET (3.03)QGSJETAd-hoc


Riassumendo…

La calibrazione dei modelli adalta energia è necessaria

Proposta di usare LHC,la macchina a più alta energia

7 TeV + 7 TeV protoni14 TeV nel centro di massa

EElablab=10=101717 eV eV (Elab= E2cm/2 mP)

LHCf coprirà la parte ‘very forward’IP1 (Atlas) o IP8 (LHCB)Collisioni Pb-Pb????

LHC

LHCf è un tool per calibrare la simulazione


2 rivelatori indipendenti su 2 rivelatori indipendenti su entrambi i lati di IPXentrambi i lati di IPX

PUNTO DI INTERAZIONE

IP1 (ATLAS)o

IP8 (LHCb)

Beam line

Detector II

Tungsteno

Scintillatore

Silicon strips

Detector I

Tungsteno

Scintillatori

Fibre scintillanti

140 m 140 m

I rivelatori devono misurare energia e punto di impatto dei dal decadimento dei 0 Calorimetri e.m. con layers sensibili alla posizione


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->


Thinner sampling

3 torri con la stessa struttura longitudinale ma con differenti dimensioni trasversaliDimensioni max

(90(90 × 335 × 290) × 335 × 290) mmmm33

Detector #1

AssorbitoreAssorbitore

20 layers di tungsteno, 20 layers di tungsteno, con spessori differenti con spessori differenti (7 mm – 14 mm) (7 mm – 14 mm)

(W: X(W: X00 = 3.5mm, R = 3.5mm, RMM = = 9mm)9mm)

ScintillatoriScintillatori

TriggerTrigger e misura del profilo e misura del profilo longitudinale di energia: 3 longitudinale di energia: 3 mm plastic scintillatormm plastic scintillator

Fibre scintillantiFibre scintillanti

3 doppi strati di fibre 1 mm3 doppi strati di fibre 1 mm22 per misurare il profilo per misurare il profilo trasversale dello sciametrasversale dello sciame

Beam

8X0 10X0 34X0

Thicker sampling


Grazie alla regione specialetra le 2 beam pipes

Detector #1: proiezione Detector #1: proiezione trasversaletrasversale

Hamamatsu MA-PMT per fibre

scintillanti

PMTs per fibre WLS

4cm

3cm

2cmBEAM CENTERBEAM CENTER

y ≈ 9.9y ≈ 9.9

y ≈ 8.5y ≈ 8.5

y y ≈≈ 7.8 7.8

Fibre Scintillanti

Fibre WLS per il readout degli

scintillatori plastici

Range di rapidità

13 c

m

y ≈ y ≈


Perché questa ‘strana’ Perché questa ‘strana’ geometria?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


Detector #2

4 cm

3 cm

2 cm

6.4 cm6

.4 c

m

W +Sci

Silicon

SciFi rimpiazzate da silicon strips detectors64x64 mm2

Pitch 80 m3 double layers (x-y)1 double layer di fronte al calorimetro

Beam center

Contributo INFN


Perché queste differenze?Vantaggi dei Silicon strips:

• Misura del punto di impatto• Selezione di eventi ‘puliti’ (1 )• Ricostruzione della massa invariante del 0

(energy calibration)

Geometria diversa:• Differenti sistematiche• Diversa accettanza• Importante per ambiente ‘sconosciuto’

(LHC background????)

Data taking comune !!! (fisica diffrativa)


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!!!


Silicon strips readout

Pace3 chips (Grazie a CMS preshower!!!!)

•32 canali•25 ns peaking time•Grande range dinamico(> 400 MIP)•192x32 analog pipeline


Signal response in low gain

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 10 20 30 40 50 60 70

Time (ns)

AD

C C

ou

nts

Line 1

Line 2

Line 3

Line 4

1 MIP = 3.5 fC

Charge injected:

Line 1 ~ 500 fCLine 2 ~ 1000 fCLine 3 ~ 1500 fCLine 4 ~ 2000 fC

Rise Time (10% - 90%)13 - 15 ns

Peaking time23 - 25 ns


Linearity

y = 0.4309x - 10.215

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Charge (fC)

V (

mV

)

GAIN 0.43 mV/MIPs

1 MIP = 3.5 fC

difference = 6%

200 MIPs 400 MIPs 600 MIPs


Che performances ci aspettiamo da LHCf?

Counting rate per Risoluzione energeticaMassima energia misurabileCounting rate per 0

Identificazione/reiezione dei neutroniRegioni cinematiche coperte

....

Simulazione2 simulazioni indipendenti:a) programma “custom” (Japan)b) Fluka (Italy)

Test Beam


Longitudinal shower profile (Longitudinal shower profile (γγ/n)/n)

FlukaE’ possibile misurare l’energia dei neutroni???

1 TeV fullycontained


Single detection

Alcune ore di data takinga L=1029 cm-2s-1 dovrebberoessere sufficienti

1 con 100 GeV<E<1 TeVogni 15 interazioni di LHC (<100 sec)

1 con E > 1 TeVogni 50 interazioni di LHC


2 fotoni dal decadimento del 0

1 o con E>1 TeVogni 1000interazioni di LHC(<10 ms)

2 in 2 torri diverse

Calibrazione assoluta di energia!!!!


Fluka


Fluka

4

3

22

1

21

p

p

pxpL

500 GeV in SciFi and Silicon


Detector # 2 (silicon)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

10 100 1000 10000

Energy (GeV)

Sp

ati

al

res

olu

tio

n(

15 m

Risoluzione spaziale per i fotoni

67 m

Risoluzione delle fibre 500 m


SciFi Silicon strips

=3.1 MeV =2.0 MeV

M(0) M(0)

Massa invariante del 0


Energia fotone(GeV)

Risoluzione senza saturazione (m)

Risoluzione con saturazione (m)

1000 22 29

2000 15 23

Effetto della saturazione del preamplificatoreSaturazione=400 MIPS (nella realtà molto meglio…)

Massimo del segnale in una strip


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 torri

ELETTRONI ELETTRONI (50÷250) GeV/c PROTONIPROTONI (150÷350) GeV/c MUONIMUONI (150) GeV/c

x-y Scan (Per studiare le sistematiche al variare della distanza dal bordo)


Scintillating Fibers

Scintillators plane


Tracking System Tracking System

(INFN Firenze -(INFN Firenze -Pamela)Pamela)

CalorimeteCalorimeter (Japan)r (Japan)


Correzioni per leakage

Monte Carlo

Test Beam

MC Predice una leakage indipendente dall’energia!

correction

Distanza dal bordo

N P

art

icle

s


Risoluzione energetica


Sharing delle responsabilitàDetector #1: interamente a carico dei gruppi giapponesi

Detector #2: Tungsteno, Scintillatori, PM e meccanica: Giappone4 double layers di silicio con elettronica: INFNPower supply per silici: INFNADC VME per scintillatori: Giappone/INFNHV Power supply per PM: Giappone/INFN

Detector # 1 Detector # 2

Tungsten Japan Japan

Mechanics Japan Japan

Plastic Scintillators Japan Japan

Scintillating fibers Japan -----------

Silicon sensors ----------- INFN

Photomultipliers for scintillators Japan Japan

Multianode photomultipliers for fibers Japan -----------

Preamplifiers for silicon ----------- INFN

Hybrid and Kapton for silicon ----------- INFN

Readout electronics for fibers (VA based) Japan -----------

Readout electronics for silicon ----------- INFN

VME Interface board for fibers Japan -----------

VME Interface board for silicon ----------- INFN

Detector # 1 Detector # 2

VME ADC boards for scintillators Japan/INFN Japan/INFN

VME crate Japan INFN

Low voltage Power Supply Japan INFN

High voltage Power Supply for scintillators Japan Japan/INFN

High voltage Power Supply for fibers Japan -----------


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: 2.6TTTE: 0.4


Richieste

Catania:MI: 1 kEME: 3.7 kEConsumi: 1 kE

Firenze:


LHCf - LHCf - scheduleschedule

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


Multiple events/energy contamination


M ~ 2-3 MeV


Porzione dello spettro in PT dei fotoni misurabile da LHCfper vari range di energia

Rivelazione dei fotoni singoli


Misure di energia e risoluzione energetica

FlukaCustom

1. Linearità fino a > TeV2. E/E ~ 2%3. 15% energy loss @ 2 mm

dal bordo (torre piccola)1

2

3


Profilo longitudinale degli sciami

200GeV/c electron fully contained200GeV/c electron partially contained

50GeV/c electron fully contained 350GeV/c proton


E=1019eV 　protons, Fe


Double hit separation

lhcf

Documents