[論文レビュー] LHCf Measurements of Very Forward Particles at LHC

T. Sako|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2010

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

LHCf は LHC における非常に前向きな中性パイオンおよび中性子を測定し、宇宙線シャワーのシミュレーションのための高エネルギー強子相互作用モデルを制約する。高分解能のサンプリングおよび位置に敏感な層を備えた2つの前向きコメータメータを用い、$π^0$ 衰えによるガンマ線対の検出が可能となり、150 MeV/c² で明確な $π^0$ ピークを達成し、3 TeV 以上の $π^0$ エネルギーを測定した。これにより、超高エネルギー宇宙線領域へのモデルの外挿に不可欠なデータが得られた。

ABSTRACT

The LHC forward experiment (LHCf) is specifically designed for measurements of the very forward ($η$$>$8.4) production cross sections of neutral pions and neutrons at Large Hadron Collider (LHC) at CERN. LHCf started data taking in December 2009, when the LHC started to provide stable collisions of protons at $\sqrt{s}$=900\,GeV. Since March 2010, LHC increased the collision energy up to $\sqrt{s}$=7\,TeV. By the time of the symposium, LHCf collected 113k events of high energy showers (corresponding to $\sim$7M inelastic collisions) at $\sqrt{s}$=900\,GeV and $\sim$100M showers ($\sim$14 nb$^{-1}$ of integrated luminosity) at $\sqrt{s}$=7\,TeV. Analysis results with the first limited sample of data demonstrate that LHCf will provide crucial data to improve the interaction models to understand very high-energy cosmic-ray air showers.

研究の動機と目的

• LHC エネルギーにおける非常に前向きな中性パイオンおよび中性子生成断面積を測定し、高エネルギー強子相互作用モデルの改善を図ること。
• 10^17 eV の超高エネルギー宇宙線領域への相互作用モデルの外挿のためのアンカーポイントを提供すること。
• 900 GeV、7 TeV、14 TeV の複数の衝突エネルギーからのデータを用いて、強子相互作用モデルのエネルギー依存性を検証すること。
• 前向き領域における粒子生成の制約により、宇宙線大気シャワーのシミュレーションにおける不確実性を低減すること。
• 実験データを用いて QGSJET2 や Sybill などのモンテカルロジェネレータを検証および精緻化すること。

提案手法

• LHCf は IP1 から ±140 m の位置に配置された2つの前向きコメータメータ（Arm1 および Arm2）を用い、それぞれ16層のプラスチックシンチレーション器とタングステン吸収体が交互に配置されている。
• 検出器は位置に敏感なシンチレーション繊維（SciFi）およびシリコンストリップセンサを用い、サブミリメートル分解能でシャワー位置を測定する。
• $π^0 \to \gamma\gamma$ 衰えからのガンマ線対の不変質量再構成により、中性パイオンの同定が可能となる。
• 900 GeV および 7 TeV 衝突からのデータを用い、10 GeV 以上の高エネルギーシャワー事象からエネルギースペクトルが導出された。
• ビーム位置モニタ（BPTX）およびコメータメータ内の高エネルギーシャワー信号に基づくトリガーを用いてデータ収集が行われた。
• 交差するビームと非交差するビームからのデータを比較することで、残存ガス衝突による汚染が抑制され、バックグラウンドが2桁低減された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 900 GeV および 7 TeV における QGSJET2 および Sybill モデルの予測と比較して、測定された非常に前向きな中性パイオンおよび中性子生成断面積はどのように異なるか？
• RQ2 ガンマ線対の不変質量再構成は、高エネルギー $π^0$ キャンディデートを高精度で同定および測定するために使用可能か？
• RQ3 7 TeV における前向き光子および $π^0$ のエネルギースペクトルは何か？ また、モンテカルロシミュレーションと比較するとどうなるか？
• RQ4 前向き領域におけるビーム-ビーム衝突汚染と残存ガスバックグラウンドの比較では、どちらが優勢か？
• RQ5 前向き粒子スペクトルのエネルギー依存性は何か？ また、異なるモデルが予測するようにスケーリングまたはソフトニングを示すか？

主な発見

• 150 MeV/c² 付近の不変質量分布に明確なピークが確認され、$π^0$ 衰えの検出が裏付けられた。3 TeV 以上のエネルギーで $π^0$ キャンディデートが観測された。
• 900 GeV における粒子同定パラメータ L90% は、形状およびガンマ線対比率の両面で QGSJET2 の予測と良好に一致した。
• 900 GeV におけるガンマ線的およびハドロン的イベントのエネルギースペクトルは、統計的および系境的不確実性が大きいものの、モンテカルロシミュレーションと整合的であった。
• 2つのタワー間のスペクトル比較から、ゼロ度領域をカバーする小さなタワーでは、強い前向き発射を示す硬い（集束した）スペクトルが観測された。
• 残存ガスバックグラウンドは、ビーム-ビーム衝突と比較して100倍低減された。これにより、データにおけるビーム-ビームイベントの優位性が確認された。
• 900 GeV および 7 TeV における LHCf のデータは、これらのエネルギーで非常に前向きな $π^0$ 発生の最初の直接測定を提供し、14 TeV でのモデル差の解消に潜在的である。