宇宙線と原子核ハドロンの狭間～ニュートリノ、そして超前方散乱～

伊藤好孝 , 「宇宙線と原子核ハドロンの狭間」

「原子核・ハドロン物理学の現在、そして未来」 @ 22 May 2010, 京都テルサ

宇宙線と原子核ハドロンの狭間

～ニュートリノ、そして超前方散乱～伊藤好孝

（名古屋大学太陽地球環境研究所）

研究会「原子核・ハドロン物理学の現在、そして未来」平成２２年５月２２日（土）京都テルサ



宇宙線と原子核・ハドロン



小田稔「宇宙線」 1960 年第１版、 1972 年改訂



“ 超高エネルギー“現象• 「宇宙線研究の歴史を振り返ってみると、い

つもその時点で人工加速器によりは高いエネルギー領域に、実験室で得られるのとは異質の“もっと”基本的と考えられる素粒子の性質が求められてきた。（中略）一方、 109~1010eV 以上の宇宙線と物質の相互作用に見られた中間子の多重発生が核子の基本的な性質に関係の現象として捉えられ、超高エネルギー現象と呼ばれて宇宙線研究の大きな流れになったのである。」　（小田稔　「宇宙線」）



γp

n

pπ＋μ＋ ν

e＋ γ

E = 10 20 eV E 0.8 x 10 20 eV ~

Energy spectrum of UHE cosmic rays

KNEE2ndKNEE??

ANKLEGZK

GZK cut off1020 eV 1018 eV 1016 eV 1014 eV

Flu

x *

E3

LHC 7+7TeV



Air Florescence telescope (FD)

Surface Detectors (SD)

Air shower observation

Scintillation lightsShower directionsShower max height

Number of particlesArrival timingMuon or EM component ( at given altitude)

EM component (most of energy)

Model uncertainty in hadron interactions at UHE

Floresensedetectors

Shower max height

Sensitive to composition



ハドロン物理から宇宙線・宇宙物理へのインパクト

• 最高エネルギー宇宙線– 陽子– ＧＺＫでカットオフ

– 重原子核– 加速限界 or photo disintegration でカットオ

フ

• 到来方向（銀河磁場に対して直進するなら >1019eV 陽子）

「陽子と思えるんだが、　　　　　　鉄っぽいデータはどうしたものか…」

「大気蛍光と地表検出器でエネルギーも合ってない」

粒子数スペクトル

断面積etc.



J. Bluemer@ICRR, Mar. 2008

Energy scale issue; GZK cut off feature in AGASA, HiRes and AUGER （ 2007 summer ）

c.f. Energy scale was determined by fluorescence detector

AUGER

HiRes AGASA

Energy scaling by +-25%



① Inelastic cross section

② Forward energy spectrum (or Inelasticity k )

Need both and ① ②

If large k rapid developmentIf small k deep penetrating

If large rapid developmentIf small deep penetrating

LHC ｆ is dedicated to ②① will be give by Roman 　 Pod

at LHC

Shower max height

Sensitive to composition



The LHCf experiment

ATLAS

140m

IP1

140m96mm

Compact calorimeter

TAN absorber

140m96mm

LHCf

TAN衝突点



LHCf: location and detector layoutINTERACTION POINTINTERACTION POINT

IP1 (ATLAS)IP1 (ATLAS)

Detector IIDetector II

TungstenTungsten

ScintillatorScintillator

Silicon Silicon stripsstrips

Detector IDetector I

TungstenTungsten

ScintillatorScintillator

Scintillating Scintillating fibersfibers

Beam lineBeam line

140 m140 m 140 m140 m

Arm#1 Detector20mmx20mm+40mmx40mm4 SciFi tracking layers

44X0, 1.6 int

Arm#2 Detector25mmx25mm+32mmx32mm4 Silicon strip tracking layers



The 0 peak at 7TeV

:6.7MeV

Arm2 event display

Silicon layer

Scintillator layers

To

wer

32m

m

25m

m

LHCf P

relim

inary

Arm1 7TeV

Silicon layer

Scintillator layers

LHCf P

relim

inary

Arm1 7TeV



Normalized by gamma-like entry

DataSys.+Sta.

MC(QGSJET2)

Hadro

n re

spon

se

unde

r stu

dy

• Reasonable agreement with MC• Conservative systematic error for energy scale +10% -4% assigned• Checking detector response for hadron showers by SPS 350,150GeV p data

“Very” preliminary spectra from 900GeV runs in 2009

Adding May 900GeV runs, 100K showers now (Dec09 x15) !



Very forward – connection to low-x physicsLow-x high-x

Very forward

Ｐ

Ｐ

陽子

陽子



まとめ• 宇宙線はなにか新しい物理のヒントをくれ

ることがある。• 宇宙線の研究には原子核ハドロンの正確な

知識が不可欠。特に超前方• ＬＨＣで超前方測定を行うＬＨＣｆ実験を

行っている。データ取得はもうすぐ完了• この超前方データがハドロン物理にもどの

ようなインパクトがあるのか考えて行きたい



Y.Itow, K.Kawade, T.Mase, K.Masuda, Y.Matsubara, G.Mitsuka, T.Sako, K.Taki Solar-Terrestrial Environment Laboratory, Nagoya University, Japan

K.Yoshida Shibaura Institute of Technology, Japan

K.Kasahara, M.Nakai, S.Torii Waseda University, Japan

T.Tamura Kanagawa University, Japan

Y.Muraki Konan University, Japan

Y.Shimizu ICRR, University of Tokyo,Japan

M.Haguenauer Ecole Polytechnique, France

W.C.Turner LBNL, Berkeley, USA

O.Adriani, L.Bonechi, M.Bongi, R.D’Alessandro, M.Grandi, H.Menjo, P.Papini, S.Ricciarini, G.Castellini, A. Viciani INFN, Univ. di Firenze, Italy

A.Tricomi INFN, Univ. di Catania, Italy

J.Velasco, A.Faus IFIC, Centro Mixto CSIC-UVEG, Spain

D.Macina, A-L.Perrot CERN, Switzerland

The LHCf Collaboration



LHCf calorimeters

Arm#2 DetectorArm#1 Detector 90mm

290mm

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