Эксперимент LHCf

    Измерения космических лучей сверхвысоких энергий на различных установках не дают однозначного ответа о наличии в них частиц с энергиями превышающими предел GZK (~5·10¹⁹ эВ). Одной из основных причин, ведущих расхождениям между результатами этих экспериментов является неопределенность в моделях адронных  взаимодействия, используемых при моделировании атмосферных ливней методом Монте-Карло. Вылет частиц под очень малыми углами не достаточно хорошо описывается КХД и является причиной различий в кодах Монте-Карло. Задачей эксперимента LHCf  является калибровка моделей адронных  взаимодействий.
    Эксперимент LHCf (Large Hadron Collider forward) предназачен для измерения нейтральных частиц (γ-квантов, образующихся при распаде π⁰, нейтронов и нейтральных каонов) в области очень больших псевдобыстрот (|η| > 8.4).

Рис.1. Расположение детекторов LHCf. На рисунке не показаны дипольные магниты D1 и D2. D1 находятся в областях Y-образных переходов ионопровода, D2 − после поглотителей TAN.

    На LHC на растоянии ±140 м от точек взаимодействия ТВ-1, вокруг которого находится ATLAS и ТВ-5 − CMS, установлены массивные поглотители нейтральных частиц (TAN − Target Neutral Absorber), летящих под малыми углами от точек взаимодействия. Они защищают сверхпроводящие дипольные магниты D2 от нейтральных частиц, возникающих в столкновениях. Заряженные частицы отклоняются диполем D1  и не попадают в TAN и, соответственно в диполь D2. Из ионопровода большого диаметра заряженные частицы попадают в два узких ионопровода. TAN находятся в Y-образных переходах ионопровода.
    В разветвлении Y есть слот, где в отсутствие детекторов устанавливаются десять плиток медных поглотителей. Если используются детекторы, монитор светимости (BRAN) устанавливается вместо четвертой медной плитки.
    Калориметры LHCf устанавливаются вместо первых трех плиток TAN на на растоянии ±140 м от ТВ 1.
    Так как калориметры не выдерживают высоких радиационных нагрузок, их удаляют, когда светимость превышает 10³⁰ см^-2с^-1 и вместо них устанавливают плитки медных поглотители.

Рис. 2. Передний счетчик (FC).

    В передней части каждого калориметры LHCf (обращенной к ТВ) установлен тонкий пластиковый сцинтилляционный счетчик (FC − Front Counter). FC используется для фиксации столкновений в ТВ в обеих плечах с максимально большим акцептансом для режекции фона от взаимодействия пучка с остаточным газом. FC также может быть использован в режиме антисовпадений чтобы гарантировать, что калориметрами детектируются нейтральные частицы, а не заряженные частицы фона от взаимодействия пучка с остаточным газом. Использование сегментированной структуры FC, позволяет также определять положения падающих частиц.
    На рис. 2 схематически показан передний счетчик (FC). Две пары пластиковых сцинтилляторов сегментированных в вертикальном и горизонтальном направлениях, обозначены светло-голубыми прямоугольниками. Между парами сцинтилляторов размещена медная пластина толщиной 0.5 мм. Световой сигнал передается на ФЭУ с помощью акрилового световода и оптических волокон.

    Калориметры, установленные на разных сторонах от точки взаимодействия (ТВ-1) различаются своими размерами, ориентацией и устройством позиционно-чувствительных сенсоров. В остальном они идентичны.

Рис. 3. Схема калориметров LHCf .

    Каждый гетерогенный калориметр состоит из двух башен. Малая башня, центр которой соответствуют нулевому углу рассеяния, охватывает область с псевдо-быстрот η > 10, а большая −
8.4 < η <10. Каждая башня состоит из 16 пластиковых сцинтилляторов (0.3 см), чередующихся с вольфрамовыми пластинами. Толщина первых 11 пластин
7 мм (2X₀), последующих −
14 мм (4X₀). Полные радиационная и ядерная длины взаимодействия калориметра составляют ~44X₀ и ~1.7λ_h соответственно. Этого достаточно, чтобы измерить энергию фотонов до нескольких ТэВ. Из-за небольшого радиуса Мольер (9 мм) вольфрама, электромагнитные ливни хорошо умещаются даже в таких небольших калориметрах.

Рис. 4. Схема детектора 2.

    Кроме того, каждая башня содержит 4 позиционно-чувствительных сенсора, которые служат для измерения пространственного распределения ливней. Первые два сенсора оптимизированы для детектирования ливней вызванные гамма-квантами, а два других − для адронных ливней, возникающих в глубине калориметра. Все это позволяет одновременно измерять энергию и координаты первичных нейтральных частиц. Точное определение координат частицы важно по двум причинам: для хорошей оценки энергии, для чего необходим учет утечек частиц  ливня через боковые поверхности башни, и для измерения поперечного импульса входящих нейтральных частиц.

    У детектора 1 позиционно-чувствительный сенсор представляют собой годоскоп, состоящий из пары плоскостей образованных из сцинтиллирующих волкон (SciFi) 1мм×1мм, по 20(40) волокон на каждую плоскость. Пространственное разрешение для центра ливня ~100 мкм.
    У детектора 2 позиционно-чувствительный сенсор состоит из двух слоев микрополосковых кремниевых датчиков. Положение детекторов 1 и 2 показано на рис. 5. Серым цветом показана область в которой могут быть только нейтральные частицы прошедшие через стенки ионопровода или образовавшиеся не в ТВ. Так как максимальная апертура, для которых траектории частиц полностью находится внутри ионопровода определяется структурой самой трубы в области диполя Dl. В этой области ионопровод имеет эллиптическую форму. Проекция апертуры дипольного магнита  до LHCf  ±140 от ТВ также представляет собой эллипс.

Рис. 5. Схема расположения башен. Синим показаны башни детектора 1, красным − детектора 2.

    Башни калориметров могут перемещаться по вертикали. Когда угол пересечения пучков нулевой, детекторы LHCf размещаются на
20 мм выше их нижнего положения, так что центры малых башен соответствуют нулевому углу рассеяния. В зависимости от угла пересечения пучков детекторы LHCf перемещаются вниз.
    Центр пучка может быть определен двумя способами. В первом используются мониторы положения пучка (BPM − Beam Position Monitor), установленные на расстоянии ±21.3 м от точки взаимодействия. Второй способ заключается в определении центра ливня в LHCf. Определение центра пучка важно для правильного определения псевдобыстроты и поперечного импульса частицы.
    Максимальная апертура, для которых траектории частиц полностью находится внутри ионопровода определяется структурой самой трубы в области диполя Dl, отклоняющего заряженные частицы в два узких ионопровода. В этой области ионопровод имеет эллиптическую форму. Проекция апертуры дипольного магнита  до LHCf  ±140 от ТВ также представляет собой эллипс с горизонтальной и вертикальной осями 211.8 мм и 87.7 мм. Нейтральные частицы, входящие в TAN вне этой эллиптической области, таким образом, проходят через стенки ионопровода или образовались не в ТВ.
    В неблагоприятных условиях (нестабильные пучки), чтобы минимизировать радиационные повреждения, детекторы LHCf размещяются в самом верхнем положении.

    Энергетическое и пространственное разрешение детекторов LHCf  в области энергий  > 100 ГэВ для электромагнитных ливней составило около 8%/(E/100ГэВ)^1/2 + 1% и 200 мкм соответственно. Для адронных ливней энергетическое разрешение было около 30%.

    В перспективе при максимальной энергии БАК √ S = 13 ТэВ, где радиация, как ожидается, будет в 10 раз выше, планируется заменить пластиковые сцинтилляционных пластины, использовавшиеся в гетерогенных калориметрах LHCf  на пластины GSO (Gd₂SiO₅), которые имеют высокую радиационную стойкость (10⁶ Гр), высокий световыход (10⁴ фотонов/МэВ) и короткое время высвечивания (30 - 60 нс).

Литература

• И. Иванов. Эксперимент LHCf
• http://hep.fi.infn.it/LHCf/

• The LHCf detector at the CERN Large Hadron Collider

• Technical Design Report of the LHCf experiment
• Hiroaki MENJO. LHC forward experiment : LHCf
• K. Kasahara et al. Upgrade of the LHCf detector and future plans
• LHCf detector performance during the 2009-2010 LHC run
• A. Tricomi. Very forward proton-proton interactions with the LHCF detector