Plan ¡of ¡this ¡talk ¡ a. Introduc+on ¡ ¡ b. Results ¡from ¡LEP ¡ ¡ c. Results ¡from ¡LHC ¡ ¡ d. Outlook ¡
Introduc2on ¡ What are cosmic rays? ü Cosmic rays (CR) are particles coming from galaxy or outside the galaxy reaching the Earth’s atmosphere. ü 90% protons, 9% He nuclei, 1% heavier nuclei ü Gammas , neutrinos ü Rate ~ 1000 particles hits the atmosphere per m 2 s CR are characterized by: Identity of the particle Energy (10 9 – 10 20 eV) direction (0 0 < θ <90 0 , 0 0 < φ <90 0 ) θ 3
Introduc2on ¡ p,n, π à near the shower axis μ , e, γ à widely spread e, γ à from π 0 , μ decays (10 MeV) μ à from π ± , K decays (1 GeV) Details depend on • Interaction cross sections • 4 Hadronic and electromagnetic particle production • Decays, transport of particles at energies from MeV’s to 10 20 eV (above accelerators energy)
Introduc2on ¡ 5
Introduc2on ¡ Direct measurements up to E ∼ 10 14 eV à Primary particles (balloons, satellites) E -2.7 6
Introduc2on ¡ Direct measurements up to E ∼ 10 14 eV à Primary particles (balloons, satellites) Indirect measurements E E -2.7 > 10 14 eV à Secondary particles ([under]ground experiments) E -3.1 7
Introduc2on ¡ Direct measurements up to E ∼ 10 14 eV à Primary particles (balloons, satellites) Indirect measurements with (under)ground experiments to E > 10 14 eV ü Cosmic ray interactions with atmosphere and Extensive Air Showers (EAS) ü Measurements around the knee (Eas-Top, Kaskade, Casa …) and beyond (Kaskade-Grande) ü Ultra high energy cosmic rays (Auger, HiRes) ü Underground experiments (Macro, Emma) ü COSMIC RAY PHYSICS AT CERN (LEP: L3+C, ALEPH, DELPHI; LHC: CMS, ALICE) 8
Introduc2on ¡ 200 x 200 m 2 ü DETECTION AND STUDY OF COSMIC RAY ü STUDY OF HIGH ENERGY INTERACTIONS IN p-p, Pb-Pb COLLISIONS MACRO: 12 x 70 m 2 TO EXTRAPOLATE INFORMATION FOR COSMIC RAY PHYSICS 9
Introduc2on ¡ 200 x 200 m 2 MACRO: 12 x 70 m 2 10 10 H 0 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡2012 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ATLAS/CMS ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Accelerators ¡(LHC) ¡
Introduc2on ¡ ACCELERATOR PHYSICS: 200 x 200 m 2 BEAM KNOWN à DETECTION OF THE SECONDARIES à STUDY OF THE INTERACTIONS Beam known Beam known detectors 11 11
Introduc2on ¡ ACCELERATOR PHYSICS: 200 x 200 m 2 BEAM KNOWN à DETECTION OF THE SECONDARIES à STUDY OF THE INTERACTIONS Beam known Beam known detectors 12 12
Introduc2on ¡ COSMIC RAY PHYSICS WITH EAS: 200 x 200 m 2 BEAM UNKNOWN à DETECTION OF THE SECONDARIES ARRIVING AT GROUND à à S STUDY O OF T THE HE B BEAM Level of observation ¡ AMS, ¡PAMELA, ¡Fermi ¡ Balloons ¡ ¡ High ¡al+tude ¡detectors: ¡ HAWC, ¡Tibet ¡ Ground ¡experiments: ¡Pierre ¡ Auger, ¡Kaskade-‑Grande ¡ ¡ Under-‑ground ¡experiments: ¡ Ice ¡cube, ¡Macro, ¡LEP&LHC ¡ 13 13 experiments ¡
Introduc2on ¡ Cosmic rays with the accelerator apparatus 200 x 200 m 2 ² Small apparatus ² Low underground ² Detection of muons crossing the rock « These apparatus are not designed for cosmic ray physics L : q Small detectors compared with the standard cosmic ray apparatus: ² Only muons are detected ² Short live time of data taking ü Advantage: detectors with very high performances, presence of magnetic field J ü Why to study cosmic ray events with dedicated accelerator MACRO: 12 x 70 m 2 experiments? à remember that the only result out of LEP that did not agree “perfectly” with the Standard Model was the observation of too many multiplicity muon bundles. 14 14
LEP ¡results ¡ 15 15
LEP ¡results ¡ ² ALE LEPH: H: 1 140 m o m of r rock, mo mome mentum mu m muon t threshold p p > > 7 70/co cos θ ü underground scintillators, HCAL (horizontal area ~ 50 m 2 ), TPC projected area ~ 16 m 2 ² DELP LPHI HI: 1 100 m o m of r rock, mo mome mentum mu m muon t threshold p p > > 5 52/co cos θ ü Hadron calorimeter (horizontal area ~ 75 m 2 ), muon barrel, TPC, ToF and outer detectors ² L3 L3+C: 3 30 m o m of r rock, mo mome mentum mu m muon t threshold p p > > 2 20/co cos θ + + s surface ce a array y ü Scintillator surface array (200 m 2 ), trigger, muon barrel (100 m 2 ), hadron calorimeter, etc. COSMIC RAY ENERGY COVERAGE FROM 10 14 – 10 18 eV 16 16
LEP ¡results ¡ 29th ¡Interna+onal ¡Cosmic ¡Ray ¡Conference ¡Pune ¡(2005) ¡10, ¡137.150 ¡ The ¡flux ¡is ¡mul+plied ¡with ¡3 rd ¡power ¡of ¡ momentum ¡to ¡see ¡details ¡along ¡the ¡ steep ¡spectrum. ¡ Best ¡agreement ¡with ¡BESS ¡(also ¡with ¡ CAPRICE) ¡ Kiel ¡agrees ¡in ¡shape ¡but ¡records ¡ systema+cally ¡ ¡higher ¡flux ¡ MACRO ¡agrees ¡at ¡high ¡energy ¡end ¡of ¡the ¡ spectrum. ¡ Fit ¡of ¡BESS, ¡CAPRICE ¡and ¡L3+C ¡data ¡ gives ¡z ¡chi^2/Ndf ¡= ¡1.2 ¡taking ¡into ¡ account ¡the ¡systema+c ¡momentum ¡ scale ¡and ¡normaliza+on ¡uncertain+es ¡ quoted ¡by ¡the ¡collabora+ons ¡ 17 17
LEP ¡results ¡ Muon ¡bundles ¡at ¡LEP ¡ ALEPH ¡ L3+C ¡ DELPHI ¡ 18 18
LEP ¡results ¡ The conclusion is similar to Aleph : Astr Astropartic ticle le P Phys ysics cs 1 19 ( (2003) 5 513–5 –523 However, even the combination of extreme assumptions of highest measured flux value and pure iron spectrum fails to describe the abundance of high multiplicity events. Astroparticle Physics 28 (2007) 273–286 DELP LPHI HI: ~ ~18.5 d days ys o of d data t taking ALE LEPH: H: ~ ~20 d days ys o of d data t taking Data indicate that heavier component is needed to explain higher multiplicity muon bundles These muon bundles are not well described (almost an order of magnitude above the simulation) 19 19
LHC ¡results ¡ 20 20
LHC ¡results ¡ CMS ¡ ¡ 21 21
LHC ¡results ¡ CMS ¡ ¡ CERN-‑PH-‑EP-‑2010-‑011 ¡2010/05/31 ¡ 22 22
LHC ¡results ¡ CMS ¡ ¡ CERN-‑PH-‑EP-‑2010-‑011 ¡2010/05/31 ¡ CMS ¡has ¡measured ¡the ¡flux ¡ra+o ¡of ¡posi+ve-‑ ¡to ¡nega+ve-‑charge ¡cosmic ¡ ray ¡muons, ¡as ¡a ¡func+on ¡of ¡the ¡muon ¡momentum ¡and ¡its ¡ver+cal ¡ component. ¡The ¡result ¡is ¡in ¡agreement ¡with ¡previous ¡measurements ¡by ¡ underground ¡experiments. ¡This ¡is ¡the ¡most ¡precise ¡measurement ¡of ¡the ¡ charge ¡ra+o ¡in ¡the ¡momentum ¡region ¡below ¡0.5 ¡TeV/c. ¡It ¡is ¡also ¡the ¡first ¡ 23 23 physics ¡measurement ¡using ¡muons ¡with ¡the ¡complete ¡CMS ¡detector. ¡
LHC ¡results ¡ ALICE ¡ For horizontal muons (not discussed here) 24 24
LHC ¡results ¡ ALICE ¡ TPC TP C IT ITS S dE/dx dE/dx Time of TOF TO Flight TRD TRD HMPID HM Cherenkov vertexing The design is optimized for reconstruction and identification of particles in a wide range of transverse momentum particle identification (practically all known techniques) • extremely low-mass tracker ~ 10% of X0 • excellent vertexing capability • 25 25 efficient low-momentum tracking – down to ~ 100 MeV/ c •
LHC ¡results ¡ ALICE ¡ Central detectors Inner tracking system (ITS) Time Projection Chamber (TPC) | η | < 0.9 26 26
LHC ¡results ¡ ALICE ¡ AC ACORDE is is use used t to: • T Trigger eve vents o of atmo mospheric mu muons. id identif ntify eve vents with with hig high mu multiplici city o of atmo mospheric mu muons • Ge Gene nerate te a a fa fast s signal o of leve vel ze zero tha that h has been been used ed for or alignme ment and ca calibration of the inner c inne central d detectors i in A ALICE(single o or mu multico coinci cidence ce mo mode). 27 27
LHC ¡results ¡ ALICE ¡ Topics cs o of i interest i in C Cosmi mic r c ray a y analys ysis i in A ALI LICE: q Muon mu multiplici city d y distribution q Study o y of co cosmi mic mu c muon b bundles ALI LICE l loca cated 4 40 m. m. u underground • 30 m o m of r rock ( (mo molasse) ) • 10 m o m of a air q μ + / μ - - c charge r ratio me measureme ment Threshold M Muon E Energy ~ y ~ 1 16 Ge GeV q Study o y of co cosmi mic h c horizo zontal mu muons 28 28
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