増田公明， 隆志，村木綏，松原豊，小幡康義，田中康一　（名大﨏STE 研）

笠原克昌　（芝浦工大）鳥居祥二，田村忠久，吉田健二　（神奈川大）O. Adriani, L. Bonechi, M. Bongi 　 ( フィレンツェ大，イタリア )A. Faus, J. Velasco 　 (Centro Mixto CSIC-UVEG ，スペイン )M. Haguenauer 　 ( エコールポリテクニック，フランス )W. C. Turner 　 (LBNL ，アメリカ )

日本物理学会　第 60 回年次大会　（ 2005 年 3 月 24 日） 24pXH8

１０１７ eV における最前方粒子測定実験 LHCf-- 計画概要と CERN でのテストビームによる性能評価

--

～ 来るべき TA 観測結果の解釈のために ～

シリコントラッカーSciFi・MAPMT

モンテカルロ シンチ・ PMT

Contents

１．最高エネルギー宇宙線研究の課題２．エネルギー較正実験 LHCf の概要３．プロトタイプ機４． 2004 年夏の CERN テスト実験５．テスト実験の解析結果（経過報告）６．今後の予定

最高エネルギー宇宙線の課題

Super GZK の有無

化学組成の変化

proton

iron

Knapp et al., 2003

　

　10201016

Xm

ax (g

/cm

2 )

20Log10(E) (eV)

19

Flu

x

Elab(eV)

Monte Carlo simulation　エネルギー決定は MC に頼らざるを得ない。　しかし， 1020eV の相互作用モデルは誰も保証しない。

LHC （ 7 TeV p×7 TeV p ）ならば実験室系で 1017eV の　相互作用を検証することが可能。

課題を克服するために

最高エネルギーへの掛け橋

1020eV

Feynman X0.1 1.0

モデル不定性とシャワー発達

700 800 900 1000

Feynman X @ 1017eV for p-p collision

2 つの極端なモデルが異なるシャワー発達を与える。

最前方 X 分布（エネルギー分布）

シャワーの発達には前方放出粒子の寄与が大きい。→ 　 collider の最前方に検出器を置く。

LHC では IP から 140m のところでビームをわける。95mm の隙間にカロリメータを置くことが可能。

Interaction　　 Point

140m95mm

最前方にシャワーカロリメータを置き、発生した π0 （一部 η ）からのガンマ線と中性子のエネルギーを測定する。（荷電粒子は磁場でスイープされる。 ）

X P∝ // ～ E @ 最前方

2004 年 6 月 LHCC に認められた。LHCf 　実験

Underground Works Civil Engineering

From J. Engelen @ Workshop ‘Physics at LHC’

全周 27 kmATLAS

LHCb

LHCf カロリメータ

4 cm×4 cm3 cm×3 cm2 cm×2 cmの３つのタワー

17 枚のプラスチックシンチレータとタングステン板によるサンプリング・シャワーカロリメータ（ 2/4 r.l. step ，全長 54 r. l. ）

SciFi （ 1 mm 幅）によるシャワー位置の測定 (x, y @ 6, 10, 34 r.l.)

Beam

エネルギーキャリブレーション（ MC ）

　 π ０→２ γ 　のガンマ線のエネルギー・運動量を別々のタワーで測定することで， π０ の不変質量を測定することが可能

試作機のビームテスト

50, 100, 150, 200, 250 GeV/c の電子 ,150 GeV/c のミューオン , 　 150, 300, 350 GeV/c の陽子• 入射位置を変えて照射• シリコントラッカーで入射位置を 50μm の精度で決定

テスト実験の課題•　 95mm の幅の中にカロリメータ，エレキを収められるか。•　 2cm×2cm というカロリメータでちゃんとエネルギーを測定できるか。（端のイベントを補正できるか。）

（ 2004 年 7 月 30 日～ 8 月 11 日， CERN SPS 　 H4 ）

2004年試作機（内部写真）

4cm タワー

2cm タワー

MAPMT 用 front-end 回路

MAPMT (H7546)

カロリーメータ用　 PMT(H3164-10)

280mm

シンチレーションファイバー（ SciFi ）と

マルチアノード光電子増倍管（ MAPMT ）

MAPMT

Hamamatsu64 ch (8x8)8 dynode

4 cm

2 cm

Clear Fiber

SciFi 1mm Sq.

Joint

SciFi Belts

1 MIP > 5 p.e.

MAPMT+FEC

Viking ChipVA32HDR14IDEAS

2004 年試験セットアップ

Beam triggerMoving tableSi trackerCalorimeters (20mm◇, 40mm ◇)

Beam

L1 L2 L3

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

2004年試験セットアップ（写真）

2004 年試験（ Quick-Look モニター画面）

SciFiデータサンプル ＠ 10r.l.（ 40mm, 200GeV/c electron）

X Y

X

Y

普通の電磁カスケードシャワー

２粒子同時入射イベント？X

Y

SciFi Detector 　　　　　　　　　

　　　　結果と改善の可能性

Lay1 （ 6 ｒｌ）

Lay2 （ 10 ｒｌ）

Lay3 （ 34 ｒｌ）

Example Image of One Event (e 200 GeV/c HV-600V)

Dynamic Range : 1/7~1/5 of Full Range for e 200 GeV/c → 　 Electrons up to a few TeV can be detected

Further Improvement : ADC ： 250 kHz 500 kHz⇒ Viking Chip ： Radiation Hard ・ 0.8μ 0.35μprocess⇒ ・ SOI (Silicon On Insulator)

X Y

Lay1

Lay2

Lay3

6 r.l.

10 r.l.

34 r.l.

e 200 GeV/c (HV-600V) ~5000 events

ADC-Ped. (Max.~30000)

0 ADC 8000

Scinti.+W calorimeterEvent sample (transition curve for 4 cm detector)

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

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

粒子数

Scinti Layer

CERN 実験におけるシンチレータ用 PMT 出力の較正

電子シャワーに対する CERN 実験（ 50-250 GeV/c ）の MC simulation から得られる粒子数 （＝光量）と各PMT の出力。

2 cm カロリメータと 4 cm カロリメータを一緒にプロット。集光率の違いはミューオンに対する応答で補正済み。

比例していないので， 4パラメータの曲線で fit 。 粒子 数

　 PM

T出

力

NMIP_map_EXP_znorm_20mm_200GeV

各シンチ層の粒子 数 分布

2 cm カロリメータ 200 GeV/c electron beam

Σ 粒子 数 （全エネルギー）

X

Y

Preliminary

粒子数 map

20 mm

4 cm カロリメータ位置依存

（エッジ補正）200 GeV/c electrons(preliminary)

エッジからの距離

Σ粒

子数

Σ粒

子数

位置補

正後

＜Σ

粒子数＞

位置補

正後

分解

能(%

)

カロリーメータの端に入ったシャワーは粒子 数 が減る。→ 　エネルギーの underestimate

位置依存性を補正することで端に近いイベントも正しくエネルギーを決められる。（補正は近似的に　　　 energy independent ）

シャワーの位置は SciFi のデータで求める。（今回はシリコンで測った入射位置）

0 20 mm

2cmカロリメータ位置依存　－　エッジ補正

(preliminary)MC simulation

エッジからの距離

5 %

Σ粒

子数

Σ粒

子数

位置補

正後

＜Σ

粒子数＞

位置補

正後

分解

能(%

)

5 %

2 mm

エッジからの距離0 10 mm

0 10 mm

実験値を MC curve で補正

200 GeV/c electron

NMIP_map_corr_layer_EXP_20mm_200GeV

エッジ補正後の各シンチ層の粒子 数 分布

2 cm カロリメータ 200 GeV/c electron beam

X

YPreliminary

粒子数 map

PMT の linearity と較正

CERN 実験では 250 GeVまでを確認。 本番のエネルギー（数 TeVまで）に対応する光量を与えて PMT の応答を調べる。

そのためのレーザーと fast pulser を用いたキャリブレーションシステムを立ち上げた。

Calibration of PMT（ H3164-

10）

Fast pulser (<10ns)

to simulate pulse shape from plastic scinti.

Laser diode (440nm)

triggered by the fast pulser

Reference PMT (H1161)

CERN テスト実験のこれまでの結論

LHCf 実験のための検出器のプロトタイプを製作し，ビームテストを行った。

入射位置補正後，端の 2 mm を除けば十分な精度で入射光子のエネルギーを測定できる。

カロリメータ出力（ PMT ）のエネルギー較正が可能。

ま と め

• 1017eV での相互作用モデルを検証するための加速器実験 LHCf がスタートした。来るべき最高エネルギー宇宙線観測のデータ解釈に不可欠な基盤を与えると期待される。

• 実験は LHCC で承認され，検出器設置場所等の具体的なつめをおこなっている。 2007 年 LHC立ち上げ時の低 luminosity （ <1030 cm-2s-1 ）での測定ランを目指している。

• 2004 年 7‐8 月に CERN SPS においてプロトタイプによるテスト実験を行った。実験は無事終了し，これまでにいくつかの preliminary な結果を得た。現在さらに詳細なデータ解析中である。

• 今後検出器に改善を加え，本番実験の準備をすすめる。

End