伊藤好孝, 「宇宙線と原子核ハドロンの狭間」
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
「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
伊藤好孝, 「宇宙線と原子核ハドロンの狭間」
宇宙線と原子核・ハドロン
「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
伊藤好孝, 「宇宙線と原子核ハドロンの狭間」
小田稔「宇宙線」 1960年第1版、1972年改訂
「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
伊藤好孝, 「宇宙線と原子核ハドロンの狭間」
“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」)
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Energy spectrum of UHE cosmic rays
Flux * E3
LHC 7+7TeV
2ndKNEE??
KNEE
1014 eV
GZK cut off p
E = 10 20 eV
1016 eV
γ
π+ μ+
n
ANKLE
1020 eV
1018 eV
ν
e+
GZK
γ
p
E~ 0.8 x 10 20 eV
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Model uncertainty in
hadron interactions at UHE
Air shower observation
Air Florescence telescope (FD)
Shower max height
Sensitive to composition
Floresense
detectors
EM component
(most of energy)
Scintillation lights
Shower directions
Shower max height
Surface Detectors (SD)
Number of particles
Arrival timing
Muon or EM component
( at given altitude)
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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)
粒子数
スペクトル
断面積
etc.
「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」
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Energy scale issue;
GZK cut off feature in AGASA, HiRes and AUGER
(2007 summer)
Energy scaling by +-25%
HiRes
AGASA
AUGER
c.f. Energy scale was determined by fluorescence detector
J. Bluemer
@ICRR, Mar. 2008
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① Inelastic cross section
Shower max height
Sensitive to composition
If large s
rapid development
If small s
deep penetrating
② Forward energy spectrum
(or Inelasticity k )
If large k
rapid development
If small k
deep penetrating
Need both ① and ②
LHCf is dedicated to ②
① will be give by Roman Pod
at LHC
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The LHCf experiment
IP1
Compact calorimeter
96mm
140m
140m
96mm
ATLAS
LHCf
140m
衝突点
TAN
TAN absorber
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LHCf: location and detector layout
Detector I
Tungsten
Scintillator
Scintillating fibers
Detector II
Tungsten
Scintillator
Silicon mstrips
INTERACTION POINT
IP1 (ATLAS)
140 m
140 m
Beam line
44X0,
1.6 lint
Arm#1 Detector
20mmx20mm+40mmx40mm
4 SciFi tracking layers
Arm#2 Detector
25mmx25mm+32mmx32mm
4 Silicon strip tracking layers
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The p0 peak at 7TeV
Silicon layer
s :6.7MeV
Arm1
7TeV
Scintillator layers
Tower
32mm 25mm
Silicon layer
Scintillator layers
Arm1
7TeV
Arm2 event display
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“Very” preliminary spectra from 900GeV runs in 2009
Normalized by gamma-like entry
MC(QGSJET2)
Data
Sys.+Sta.
• 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
Adding May 900GeV runs, 100K showers now (Dec09 x15) !
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Very forward – connection to low-x physics
Low-x
Very forward
high-x
陽子
P
陽子
P
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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
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The LHCf Collaboration
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
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LHCf calorimeters
Arm#1 Detector
Arm#2 Detector
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