The performance of the LHCf detector 16 Nov 2009 Kentaro KAWADE M1 Nagoya University Solar Terrestrial Environment Laboratory for the LHCf collaboration
図 空気シャワー 宇宙線のエネルギースペクトル 図 宇宙線 電磁シャワーとハドロンシャワー 図 宇宙線シャワーの概念図 What is the LHCf experiment? ← LHC energy UHECRs (Ultra high energy cosmic rays) are observed by many experiments. (Auger,HiRes,AGASA) LHC:7TeV + 7TeV ->10x10 17 eV@Lab Sys But, there is the uncertainness of the model of cosmic ray and atmosphere interaction. LHCf will give calibration data for such interaction models by measuring in CERN LHC. LHCf physics goal is to provide critical calibration data for the hadron interaction model used in cosmic-ray physics and to understand the essence of high energy cosmic rays.
LHCf Detector Arm1 Detector 20mmx20mm+40mmx40mm 4 XY SciFi +MAPMT Front counter LHCf has two independent detectors. (Arm1 and Arm2) two towers of sampling imaging Arm1 calorimeter, and Front Counter. SciFi & Arm1 Scintillator Tungsten Detector#1 Silicon SciFi Vertical size 20, 40 mm detector Arm2 0 50 100 150 200 Longitudinal size (mm) Arm2 16 Scintillators Scintillator Tungsten Detector#2 Silicon & Tungstens Vertical size Arm2 Detector 25, 32 mm 25mmx25mm+32mmx32mm 4 SciFi or Silicon 4 XY Silicon strip detectors total 44r.l.,1.7 λ 0 50 100 150 200 Longitudinal size (mm)
Location of Detector LHCf experiment located near IP1. Detectors are installed in both sides of IP1 covering the 0 degree of collisions, 140m away from IP1. 96mm TAN TAN Interaction Point Arm1 Detector Arm2 Detector 140m 140m → IP1 beam → Arm1 Arm2 ← beam
Beam test @ CERN SPS We tested The LHCf detector Setup of the SPS test performance of LHCf silicon tracker @CERN SPS (North Area (ADAMO) T2-H4 beam-line ) in 24 } Aug - 11 Sep 2007 trigger scintillator Beam Beam enters along the Movable stage red arrow. 1050mm 730mm 0mm Trigger by two trigger scintillators. Beams used in the test Electrons; 50-200 GeV Particle incident position Hadrons; 150 and 350 GeV was measured by Silicon Muons; 150 GeV tracker (ADAMO)
Result [Energy] The energy and position resolution are confirmed with the beam test. → good agreement with the MC simulation. Arm1 Arm2 Δ E <5% <5% Δ x <200um <60um linearity <5%@7TeV <5%@7TeV trigger threshold >100GeV >100GeV pseudo-rapidity ∞ > η >8.4 η >8.4 [Position]
図 の外観 図 検出器 シンチレーターの配置 Front Counter The Front Counters (FC) are inserted in front of Arm1 & Arm2 calorimeter. To reduce background event from %&'()&*+,&- beam & gas collisions, FC are 3345#$ installed. Beam & Gas BG is generated by the collision between Proton beam & !"#$ .#/'(/**0(&)+%012 residual gases in the beam pipe. /*0148+<=%>+<6302*/ s 5*6*06 716%8*6*06 )*+,%9%.+/%:; 4x Scintillators as !#$ & a copper plate )*+,-.+/%01223/314 aperture = 64cm 2
The performance of FCs beam & beam collision !"#$%&'&" Beam-gas BG particles emitted one side of IP1. *+$,%-"."/.0+ *+$1%-"."/.0+ () So beam-gas BG can be reduce by coincidence !"#$%&'&" of both calorimeters *+$,%-"."/.0+ *+$1%-"."/.0+ () beam & gas collision But detection e ffj ciency decreases, because the <detection e ffj ciency & S/N ratio> aperture of calorimeter p-p p-gas S/N is limited. Arm1 1.37x10 -1 3x10 -4 4.5x10 2 ← use Front Counters. Arm2 2.07x10 -1 3x10 -4 6.9x10 2 Arm1*FC2 8.8x10 -2 3.8x10 -6 2.3x10 4 We calculated the Arm2*FC1 1.2x10 -1 3.8x10 -6 3.2x10 4 performance of the FC Arm1*Arm2 2.6x10 -2 3.8x10 -6 6.8x10 3 by MC simulation. 60% 1/100 × 50
summary The performance of LHCf calorimeter was tested at CERN SPS in 2007. For electron of 50-200 GeV, the energy and position resolution are confirmed, & these are in good agreement with the MC simulation. -> Energy resolution :<5% for gamma ray -> Position resolution : <200um for gamma ray By using the FC in coincidence, 60% of signal event can survive & can reduce the background to 1/100. This corresponds to the improvement of the signal to BG ratio by a factor of 50. LHCf detector is already installed in the LHC tunnel and ready to take data once LHC restarts in this winter.
Thank you
The performance of FC table1,2 いらない We calculated the performance of the FC by MC <Table1. The detection e ffj ciency for p-p collision> simulation.(Table1) coincidence condition Arm1 Arm2 W/O coincidence 13.7% 20.7% It is conclude that by using Arm1 & Arm2 2.6% 2.6% the FC in coincidence, 60% of Arm1 FC & Arm2 - 8.8% signal event can survive & Arm1 & Arm2 FC 12.0% - can reduce the background <Table2. Detection e ffj ciency of beam & gas BG> to 1/100.(Table2) single detect coincidence detect Start up 3x10 -4 3.8x10 -6 Minimized the bias of Stable 7x10 -5 3.7x10 -7 coincidence in analysis. Because it is assumes that the vacuum level of the beam <Table3. S/N ratio before & after coincidence> pipe get worsen by 100t p-p p-gas S/N imes, it can be said that the Arm1 1.37x10 -1 3x10 -4 456.6 FC is useful. Arm1*FC2 8.8x10 -2 3.8x10 -6 23157.8 50.7 times improved
省く の検出 つのカロリメータに対して同様に行った、残りの解析結果を載せる。 検出器も含めた ここで、 更するための重要な情報となる。 及び検出レートを参照できるテーブルを作成することとした。これは、ディスクレベルを現場で柔軟に変 線の比 適化することは容易にすべきではないと判断した。その代りに、運転中にバックグラウンド粒子 つに絞り、最 により柔軟に判断する必要がある。この理由により、私は実験前よりディスクリレベルを レートが得られる。しかし、検出レートはルミノシティの値にそのまま比例するため、加速器の運転状況 相当にディスクリレベルを設定した場合、 は、 ことが出来る。上記と同じく、例えば 以上相当という低いディスクリレベルで下回る に対しては、 ムの限界処理レートである システ 検出器側の 以下のレートで検出できることがわかる。 トはなだらかに推移し、 相当のディスクリレベル以上では、検出レー と想定している。図より約 弾性衝突断面積を 図 検出器の のルミノシティを仮定し、 及び 検出器に比べ、粒子の入射位置分布に対す 検出器の方が 節で説明したように、 れは第 検出器側よりも大きい。こ から分かるように、検出レートが 検出器においては、図 と同様である。 の表記の仕方は、図 カロリメータにおける、ネルギースペクトル及びトリガー効率である。各図 検出器の カロリメータのエネルギースペクトル及びトリガー効率であ は、それぞれは 器におけるディスクリレベル毎の検出レートである。図 検出 は、 線イベントの比である。図 おける、ディスクリレベル毎のバックグラウンド粒子 カロリメータに 及び 検出器における は、それぞれ る。図 陽子同士の非 スクリレベル毎にプロットした図である。 損失相当でディスクリレベルを設定している。例え つのカロリメータで検出される、全ての粒子に対する検出レートをディ 図 となる。 線イベントは バックグラウンド粒子 相当に設定した場合、 ばディスクリレベルを コインシデンスであり、シンチレータでのエネルギー カロリメー 線イベントの比。トリガー条件は、 層連続 粒子 タにおける、ディスクリレベル毎のバックグラウンド カロリメー 検出器の 図 検出器の タにおける、ディスクリレベル毎のバックグラウン 本番実験のシミュレーション 相当のディスクリレベルにて折れ曲がり 検出器の は、 図 線を境にイベントのカットが行われるからである。 の が見られるのは、ちょうど約 線イベントの比で、約 ド粒子 いる。バックグラウンド粒子 となる。 線イベントは 粒子 相当に設定した場合、バックグラウンド を 線イベントの比。例えばディスクリレベル 第 S/N of beam-pipe BG BG/Gamma Ratio BG/Gamma Ratio We calculated the signal to 1 BG ratio by using MC simulation. -1 10 1.2% Setting the threshold -2 energy to 150MeV, we can 10 reduce the ratio to 1.2%. 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Trigger threshold [MeV]
The beam pipe background By collision between !"#$%&'&" secondary particle from p- p collision and beam-pipe inner wall, the background ()*$%+,+%-*..'/'*0 are generated. 1"#$%&'&"%!#-23)*405 We can reduce that, by <Fig.1 Energy Fluence> setting the threshold level Full MC Simulation over 100GeV. 100 GeV -
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