[论文解读] LHCf Measurements of Very Forward Particles at LHC

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

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

LHCf 通过在 LHC 上测量非常前向的中性 pion 和中子，以约束宇宙射线空气簇射模拟中的高能强子相互作用模型。利用具有高空间分辨率和位置敏感层的两个前向量能器，它探测来自 $π^0$ 衰变的伽马射线对，在 150 MeV/c² 处清晰显示出 $π^0$ 峰，并测量了能量高于 3 TeV 的 $π^0$，为将模型外推至超高能宇宙射线区域提供了关键数据。

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.

研究动机与目标

• 在 LHC 能量下测量非常前向中性 pion 和中子的产生截面，以改进高能强子相互作用模型。
• 为将相互作用模型外推至超高能宇宙射线区域（10^17 eV）提供锚定点。
• 利用多个碰撞能量（900 GeV、7 TeV 和 14 TeV）的数据，检验强子相互作用模型的能量依赖性。
• 通过约束前向区域的粒子产生，减少宇宙射线空气簇射模拟中的不确定性。
• 利用 LHCf 的实验数据验证并优化蒙特卡罗生成器（如 QGSJET2 和 Sybill）

提出的方法

• LHCf 使用位于 IP1 前后 ±140 m 处的两个前向量能器（Arm1 和 Arm2），每个量能器由 16 层塑料闪烁体与钨吸收体交替组成。
• 探测器采用位置敏感的闪烁纤维（SciFi）和硅条形传感器，实现亚毫米级的簇射位置测量精度。
• 通过 $π^0 \to \gamma\gamma$ 衰变产生的伽马射线对的不变质量重建，实现对中性 pion 的识别。
• 利用 900 GeV 和 7 TeV 碰撞数据，从高能簇射事例（>10 GeV）中提取能量谱。
• 通过基于束流位置监视器（BPTX）和量能器中高能簇射信号的触发系统收集数据。
• 通过比较束流交叉与非交叉束流的数据，抑制残余气体碰撞的污染，结果显示背景降低了两个数量级。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 900 GeV 和 7 TeV 下，测量的非常前向中性 pion 和中子产生截面与 QGSJET2 和 Sybill 模型的预测相比如何？
• RQ2 能否利用 $π^0$ 衰变产生的伽马射线对的不变质量重建技术，高精度地识别和测量高能 $π^0$ 事例？
• RQ3 在 7 TeV 下，前向光子和 $π^0$ 的能量谱是什么？与蒙特卡罗模拟相比有何差异？
• RQ4 前向区域中，束流-束流碰撞污染与残余气体背景相比如何？
• RQ5 前向粒子谱的能量依赖性如何？其行为是否如不同模型所预测的那样呈现标度性或软化？

主要发现

• 在 150 MeV/c² 处的不变质量分布中清晰出现峰，证实了 $π^0$ 衰变的探测，且在能量高于 3 TeV 的范围内观测到 $π^0$ 事例。
• 粒子识别参数 L90% 在 900 GeV 下与 QGSJET2 预测在形状和伽马/强子比方面均表现良好一致性。
• 在 900 GeV 下，伽马射线样和强子样事件的能量谱与蒙特卡罗模拟结果在较大的统计和系统误差范围内一致。
• 两座量能器谱的比较显示，覆盖零度区域的小型量能器具有较硬（束流化）的谱，表明存在强烈的前向发射。
• 残余气体背景比束流-束流碰撞背景低两个数量级，证实了数据中主导事件为束流-束流碰撞。
• LHCf 在 900 GeV 和 7 TeV 下的数据首次提供了这些能量下非常前向 $π^0$ 产生的直接测量，有望在 14 TeV 下分辨不同模型之间的差异。