The LHCf Detectors

The LHCf Experiment
SAKO Takashi (STE Lab., Nagoya University)
for the LHCf collaboration
CONTENTS
1, Physics
2, Detector Concept
3, LHCf Detectors
4, Calibration
5, LHCf Operation
(6, Absolute Cross Section)
Hardwareの話中心。MCベースの話は毛受トークで。
2008年3月15日（土） Air Shower MC Mini Workshop @ ICRR
The LHCf Collaboration (31人)
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
LHCf資料
• http://www.stelab.nagoya-u.ac.jp/LHCf/ 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 1017eVの陽子陽子衝突
• 中性粒子（γ、n、γ pairからのπ0）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
140m
interaction point 1
2ndary neutral
96mm
Beam pipe
TAN (Neutral absorber)
上から装置を差し込める
2ndary charged
Installation Slot & Aperture
140m
interaction point 1
96mm
IP側から見た断面図
flux peak 1
Beam pipe
TAN (Neutral absorber)
上から装置を差し込める
flux peak 2
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 π0→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
－π0 invariant mass構成による π0 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
Double Arm Detectors
Arm#1 Detector
Arm#2 Detector
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#1 Detector
Non zero crossing angle
+ 縦移動で aperture最大
Arm#2 Detector
Crossing angle 0で
aperture最大
Manipulator
DC motorによる駆動
全て200m先の control
光学エンコーダ（放射線に弱い!）による位置測定
roomから制御が必要
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
Calorimeter
n, gamma
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
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 test @ CERN SPS
Detector
Detector
(Arm#1 or Arm#2)
Silicon Tracker
(ADAMO)
DAQ
Trigger
Scintillator
ADAMO
Calorimeter
Moving Table
Trigger Scintillator
electron (50-200GeV), proton (150-350GeV), muon (100-150GeV)
proton + C target -> π0 -> 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
σ= 0.172 (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
0.16-0.17mm
• Silicon
X-position (mm)
0.05mm
Radiation damage
31
30
29
28
log10(Luminosity)
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<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 n1n2/(4πσxσy) : 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 σtotを測定
backup
Leak
correction
(MC)
Leak correction (experiment)

Download Report