加速器実験と超高エネルギー宇宙線

さこ　隆志( 名古屋大学　 STE 研 /KMI)

1最高エネルギー宇宙線実験の研究会 @ICRR2012 年 10 月 28 日

Contents

• モデルについて• 加速器実験で決まるパラメータと <Xmax>

への影響• 加速器実験の現状 ( 主に LHC)– 非弾性衝突断面積 ; σine

– Multiplicity, energy flow– Forward spectra

• 今後の展望2

ハドロン相互作用モデル• Hard 散乱 ; Perturbative QCD; 　個々の自由パートン（クオーク、グルーオン）の散乱– パートン分布関数 (PDF)– ハドロン化 (fragmentation function)

• Soft 散乱 ; 　パートン集団（ Reggeon, Pomeron ）の多重散乱– 「多重」散乱のエネルギー分配、エネルギー保存– 高次項（ 3 重 Pomeron 散乱、 Pomeron loop ）の考慮– ハドロン化 ; fragmentation function

Hard と Soft の境目は ?

σine, multiplicity, inelasticity, spectrum, … はモデルの「結果」であって「入力パラメータ」ではない 3

Leading baryons 中間子多重発生

ハドロン相互作用を「実験的に」特徴づける

パラメータ

陽子 / 中性子

π0

π+

π-

γ

1. 非弾性衝突断面積（平均衝突距離）

3. 原子核効果

弾性度 (Ebaryon/E0)Baryon スペクトル

非弾性度 (Emeson/E0= 1- 弾性度 )粒子多重度 (multiplicity)Meson スペクトル

2. 粒子生成

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各パラメータの <Xmax> への影響(R.Ulrich et al., PRD, 83 (2011) 054026)

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σinela の場合 SIBYLL を変更する E<1015eV は変更しない f19 パラメータで E>1015eV で滑らかな変更　例 : 　　 f19 =0.8, 80% at 1019eV 　　 f19=1.2 120% at 1019eV

f 19=1.2

f19=0.8f 19

=1.0

Artificial modification of parameters

各パラメータの <Xmax> への影響(R.Ulrich et al., PRD, 83 (2011) 054026)

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Cross sectionMultiplicityElasticityCharge ratio

• f19 はどこまでふっていいのか ?• スペクトルと原子核効果の影響は ?　 ( パラメータ化しにくいからほとんど議論されていない )

Forward meson スペクトルの <Xmax> への影響 (preliminary; 秋の物理学会・

磯 )

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DPMJET3 の meson スペクトルを LHCf の結果にあうまで「ソフト化」する• σine は変えない• (in)elasticity は変えない• Central multiplicity は変えない（つもりだが、現時点ではかわっている）• Energy conservation は（ほぼ）守る

LHCf の光子、 π0 の測定結果にあう 18 通りの変形に対して <Xmax> を計算 => Original DPMJET3 とくらべて 25g/cm2 の変化

〜２５ g/cm2◯ DPMJET3● DPMJET3-mod● LHCf result

LHCf 光子スペクトル LHCf π0 スペクトル

( 宇宙線 related な ) 　加速器実験 固定標的 (fixed-target) 実験 (2 次 π, ν ビーム , 炭素標的等可 )

– CERN PS• HARP

– CERN SPS (400GeV proton primary)• NA49/NA61(SHINE)

– ニュートリノ実験は省略 （ハドロン）衝突型加速器 (collider)

–CERN LHC (p-p √s=14TeV ( 現在 8TeV); Ion collision)• ATLAS/ALICE/CMS/LHCb/TOTEM/LHCf (/MoEDAL)

– FNAL Tevatron (p-pbar √s=1.8TeV) ；• Cross sections by E710/CDF/E811

– BNL RHIC (p-p √s=500GeV, Ion collision) ；– CERN SppS (p-pbar √s=630GeV) ；

• UA1/UA2/UA4/UA5/UA7

– CERN ISR (p-p √s=50GeV) ；8

赤字は現在も運転中

加速器のエネルギーと宇宙線スペクトル（ D’Enterria et al., APP, 35,98-113, 2011 ）

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Collider experiment and pseudorapidity

ln(tan )2

pseudorapidity

η: pseudorapidity ~ y: rapidity 　 y = (1/2) x ln((E+pz)/(E-pz)) Lorentz 変換で、　 y => y + const

θ

Central

Forward

衝突型加速器(Collider)のどこで測るか？multiplicity and energy flux at LHC 14TeV collisions

pseudo-rapidity; η= -ln(tan(θ/2))

粒子多重度 エネルギー流量

All particles

neutral

ほとんどの粒子は中央へ、ほとんどのエネルギーは前方へ

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前方粒子の測定原理

ZDC/LHCf

陽子ビーム( 黒実線 )

ZDC/LHCf

二次中性粒子

陽子衝突

Roman Pot

散乱陽子（黒点線）

双極磁石

ビームパイプ

ATLAS 等の Central detector

Central 領域の forward detector(CMS HF, LHCb, TOTEM T2, CMS CASTOR)

TOTEM RP

1. ( 全 ) 非弾性断面積

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σine LHC 前

(Ulrich, PRD, 2011)

Tevatron

σine LHC TOTEM 実験(TOTEM Collab., CERN-PH-EP-2012-239, 2012)

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• Roman Pot 実験で極小 |t| での微分弾性散乱断面積 (dσel/dt) を測定• 外挿から dσel/dt|t=0 を決定• σel = ∫(dσel/dt)dt より、全弾性散乱断面積を決定 : 25.43±0.03(stat)±1.07(sys) mb• 光学定理　 σtot

2 = 16π(ħc)2/(1+ρ2) dσel/dt|t=0 より全断面積を決定 : 98.58±2.23 mb• σine = σtot – σela より全非弾性散乱断面積を決定 : 73.15±1.26 mb

ここが外挿（全体の 9% ）

σtot, σel, σine 現状

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LHC

7TeV

σTOTEM > σ ATLAS,CMS, ALICE ?(Ostapchenko, PLB, 703, 588-592, 2011)

（ ATLAS Collab., Nature Comm., 2:463, 2011 ）

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ATLAS の測定可能範囲ATLAS の外挿範囲

Diffractive mass

Low mass diffraction は forward だけに粒子がとぶため、 central detector では見えない

2. 粒子生成

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meson 多重度@central

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D.D’Enterria et al., Astropart. Phys., 35 (2011) 98-113

TOTEM T2 tracker, LHCb; 前方メソン多重度

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Presentation at QCD at Cosmic Energies - V

LHCb

TOTEM T2

TOTEM T2 (EPL, 98 (2012) 31002)

LHCb (EPJC (2012) 72:1947 )

CMS HF (Hadronic Forward Calorimeter)

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The CMS Collaboration, JHEP, 11 (2011) 148

LHCf 実験

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π0 photon

Leading baryon(neutron)

Multi meson production

LHCf calorimeters

π0photon

• ATLAS IP 140m 前方のカロリーメータ• η>8.4 の中性粒子を測定• √s=0.9,7TeV の測定を終了

光子対不変質量分布粒子種識別

超前方光子( 主に π0, η の崩壊 ) スペクトル

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√s = 900GeVLHCf, PLB, 2012

√s = 7TeVLHCf, PLB, 2011

0 度を含む「超超前方」 0 度を含まない「超前方」

small-η

= Large tower

big-η =Small tower

900GeV vs. 7TeV

XF > 0.1 のイベント数で規格化 統計誤差のみ表示

XF spectra : 900GeV data vs. 7TeV data

等しい PT 領域で XF 分布をみると、 900GeV と 7TeV のスペクトルがよい一致

Preliminary

Data 2010 at √s=900GeV(Normalized by the number of entries in XF > 0.1)Data 2010 at √s=7TeV (η>10.94)

XF-PT 平面での coverage

900GeV vs. 7TeVwith the same PT region

900 GeV Small+large tower

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LHCf; π0 PT分布（ rapidity 別）

25The LHCf Collaboration, arXiv1205.4578, PRD in press

LHCf; 中性子（ preliminary; 秋の物理学会 + ・川出）

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Model スペクトル

LHCf 標準解析通過後 (full MC)

• More baryon (energy) produces more muon at ground• Pierog and Werner, PRL, 101, 171101, 2008

3. 原子核効果

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(The STAR Collaboration, PRL 97 (2006) 152302)

RHIC d-Au √sNN = 200GeV; 前方メソン

• RHIC d-Au 以外、原子核衝突はこれまで重イオン (Pb, Au) のみ• 今後、 p(d)- 重イオン、 p(d)- 軽イオンに注目

Pp衝

突の

重ね

合わ

せで 期

待さ

れる

値と

の比

LHC p-Pb 衝突 (2013 年 1-2 月 )

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RHIC における Nitrogen 衝突の可能性(preliminary; 秋の物理学会・鈴木 )

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Neutron pi0

• (p-N/p-p)QGS2,EPOS/(p-N/p-p)DPMJET3 ；原子核効果のモデル依存性• QGSJET-II (red and magenta)~1 => DPMJET3 に近い原子核効果• EPOS (blue and light blue) は 1 からずれる => 特に最前方で強い抑制• これらの違いは「モデル間の違い」 < 「理論の uncertainty 」

今後の可能性• Energy frontier

– LHC √s=14TeV p-p 衝突 (Elab= 1017eV); 2015年– TALE との overlap

• 原子核衝突 ( 宇宙線のための collider利用 )– LHC p-Pb 衝突 ; 2013年 1-2月– RHIC での窒素衝突の可能性 (2017年 ?)

• p-N (Elab=1.1×1013eV), N-N (7.4×1013eV)• Tibet (MD) との overlap, proton dominant な energy で calibration

– LHC での酸素衝突の可能性 (2020年 ?)• ISVHECRI2012 の議論をうけて、 CERN を含めて forum 形成• p-O (5×1016eV), O-O (4.2×1017eV)• TALE との overlap

• 解析方法– Central detector と forward の相関 (impact parameter依存 )

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1017eV への期待

• LHC– 軽原子核を含めた理想的な測定が実現可能– η~6-8 の測定は困難 ( ビームパイプの改造が必要 )

• TALE, HEAT– SD/FD の energy問題– Excess muon の起源 (energy, 生成高度 ) は決まるか ?– Model依存が強い観測量を積極的に観測して欲しい

• EAS simulation– 加速器と空気シャワーで何を測るべきか、を検討する独立な人

（チーム）が必要– Toy model で各パラメータの影響を調べる (CONEX)

• 2025年には、 1017eV の宇宙線の化学組成は確定32

まとめ• LHC でさまざまな測定がすすんでいる

– σine が最高エネルギーで最高精度で決定– 広い rapidity で宇宙線モデルがデータをよく再現– 0 度で LHCf が精密測定に成功– ここまで「驚き」はない

• 加速器はまだまだ使える– LHC の解析は始まったばかり– LHC; p-Pb, 14 TeV p-p, 軽イオン ?– RHIC; 世界初の軽イオン衝突、 1013-14eV protonシャワーとの比較

– 「何を測るべきか ( 加速器 , EAS共に ) 」の検討にも力を注ぐべき

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Backup

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0t

el

dt

d

= 503.7 +- 1.5 +- 26.7 mb/GeV2

0t

el

dt

d

r =0.14 +0.01-0.08 (COMPETE collaboration)

mbtot8.27.22.03.98

mbdtdt

d elel 2.12.08.24

Integrated over entire “t” region

mb

eltotinel

8.13.16.05.73

EPL, 95 (2011) 41001

LHC TOTEM σine

[ 光学定理 ]

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7TeV 衝突、光子スペクトル　実験　 VS. モデル

DPMJET 3.04 QGSJET II-03 SIBYLL 2.1 EPOS 1.99 PYTHIA 8.145

Adriani et al., PLB, 2011

900GeV 衝突の結果

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small-η

= Large tower

big-η =Small tower

900GeV vs. 7TeV

XF > 0.1 のイベント数で規格化 統計誤差のみ表示

XF spectra : 900GeV data vs. 7TeV data

Good agreement of XF spectrum shape between 900 GeV and 7 TeV.weak dependence of <pT> on ECMS

Preliminary

Data 2010 at √s=900GeV(Normalized by the number of entries in XF > 0.1)Data 2010 at √s=7TeV (η>10.94)

XF-PT 平面での coverage

900GeV vs. 7TeVwith the same PT region

900 GeV Small+large tower

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光子との関係

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