Plan of this talk a. Introduc+on b. Results from LEP - - PowerPoint PPT Presentation

Plan ¡of ¡this ¡talk ¡

• a. Introduc+on ¡

¡

• b. Results ¡from ¡LEP ¡

¡

• c. Results ¡from ¡LHC ¡

¡

• d. Outlook ¡

3

What are cosmic rays? ü Cosmic rays (CR) are particles coming from galaxy or outside the galaxy reaching the Earth’s atmosphere. ü 90% protons, 9% He nuclei, 1% heavier nuclei ü Gammas , neutrinos ü Rate ~ 1000 particles hits the atmosphere per m2s θ CR are characterized by: Identity of the particle Energy (109 – 1020 eV) direction (00<θ<900 , 00<φ<900)

Introduc2on ¡

4

p,n,π à near the shower axis μ, e, γ à widely spread e, γ à from π0 , μ decays (10 MeV) μ à from π± , K decays (1 GeV) Details depend on

• Interaction cross sections
• Hadronic and electromagnetic particle production
• Decays, transport of particles at energies from MeV’s to 1020 eV (above accelerators energy)

Introduc2on ¡

5

Introduc2on ¡

6

E-2.7

Direct measurements up to E ∼ 1014 eV à Primary particles (balloons, satellites)

Introduc2on ¡

7

E-2.7 E-3.1

Direct measurements up to E ∼ 1014 eV à Primary particles (balloons, satellites) Indirect measurements E > 1014 eV à Secondary particles ([under]ground experiments)

Introduc2on ¡

8

Direct measurements up to E ∼ 1014 eV à Primary particles (balloons, satellites) Indirect measurements with (under)ground experiments to E > 1014 eV ü Cosmic ray interactions with atmosphere and Extensive Air Showers (EAS) ü Measurements around the knee (Eas-Top, Kaskade, Casa …) and beyond (Kaskade-Grande) ü Ultra high energy cosmic rays (Auger, HiRes) ü Underground experiments (Macro, Emma) ü COSMIC RAY PHYSICS AT CERN (LEP: L3+C, ALEPH, DELPHI; LHC: CMS, ALICE)

Introduc2on ¡

9

200 x 200 m2 MACRO: 12 x 70 m2

ü DETECTION AND STUDY OF COSMIC RAY ü STUDY OF HIGH ENERGY INTERACTIONS IN p-p, Pb-Pb COLLISIONS TO EXTRAPOLATE INFORMATION FOR COSMIC RAY PHYSICS

Introduc2on ¡

10 10

200 x 200 m2 MACRO: 12 x 70 m2

Introduc2on ¡

H0 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡2012 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ATLAS/CMS ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Accelerators ¡(LHC) ¡

11 11

ACCELERATOR PHYSICS: BEAM KNOWN à DETECTION OF THE SECONDARIES à STUDY OF THE INTERACTIONS

200 x 200 m2 Beam known Beam known

Introduc2on ¡

detectors

12 12

ACCELERATOR PHYSICS: BEAM KNOWN à DETECTION OF THE SECONDARIES à STUDY OF THE INTERACTIONS

200 x 200 m2

Introduc2on ¡

detectors Beam known Beam known

13 13

COSMIC RAY PHYSICS WITH EAS: BEAM UNKNOWN à DETECTION OF THE SECONDARIES ARRIVING AT GROUND à à S STUDY O OF T THE HE B BEAM

200 x 200 m2

Introduc2on ¡

Level of observation ¡ AMS, ¡PAMELA, ¡Fermi ¡ Balloons ¡ ¡ High ¡al+tude ¡detectors: ¡ HAWC, ¡Tibet ¡ Ground ¡experiments: ¡Pierre ¡ Auger, ¡Kaskade-­‑Grande ¡ ¡ Under-­‑ground ¡experiments: ¡ Ice ¡cube, ¡Macro, ¡LEP&LHC ¡ experiments ¡

14 14

Cosmic rays with the accelerator apparatus ² Small apparatus ² Low underground ² Detection of muons crossing the rock « These apparatus are not designed for cosmic ray physics L : q Small detectors compared with the standard cosmic ray apparatus: ² Only muons are detected ² Short live time of data taking ü Advantage: detectors with very high performances, presence of magnetic field J ü Why to study cosmic ray events with dedicated accelerator experiments? à remember that the only result out of LEP that did not agree “perfectly” with the Standard Model was the observation

• f too many multiplicity muon bundles.

200 x 200 m2 MACRO: 12 x 70 m2

Introduc2on ¡

15 15

LEP ¡results ¡

16 16

² ALE LEPH: H: 1 140 m o m of r rock, mo mome mentum mu m muon t threshold p p > > 7 70/co cosθ ü underground scintillators, HCAL (horizontal area ~ 50 m2 ), TPC projected area ~ 16 m2 ² DELP LPHI HI: 1 100 m o m of r rock, mo mome mentum mu m muon t threshold p p > > 5 52/co cosθ ü Hadron calorimeter (horizontal area ~ 75 m2), muon barrel, TPC, ToF and outer detectors ² L3 L3+C: 3 30 m o m of r rock, mo mome mentum mu m muon t threshold p p > > 2 20/co cosθ + + s surface ce a array y ü Scintillator surface array (200 m2), trigger, muon barrel (100 m2), hadron calorimeter, etc.

COSMIC RAY ENERGY COVERAGE FROM 1014 – 1018 eV

LEP ¡results ¡

17 17

LEP ¡results ¡

Fit ¡of ¡BESS, ¡CAPRICE ¡and ¡L3+C ¡data ¡ gives ¡z ¡chi^2/Ndf ¡= ¡1.2 ¡taking ¡into ¡ account ¡the ¡systema+c ¡momentum ¡ scale ¡and ¡normaliza+on ¡uncertain+es ¡ quoted ¡by ¡the ¡collabora+ons ¡ The ¡flux ¡is ¡mul+plied ¡with ¡3rd ¡power ¡of ¡ momentum ¡to ¡see ¡details ¡along ¡the ¡ steep ¡spectrum. ¡ Best ¡agreement ¡with ¡BESS ¡(also ¡with ¡ CAPRICE) ¡ Kiel ¡agrees ¡in ¡shape ¡but ¡records ¡ systema+cally ¡ ¡higher ¡flux ¡ MACRO ¡agrees ¡at ¡high ¡energy ¡end ¡of ¡the ¡

• spectrum. ¡

29th ¡Interna+onal ¡Cosmic ¡Ray ¡Conference ¡Pune ¡(2005) ¡10, ¡137.150 ¡

18 18

LEP ¡results ¡

Muon ¡bundles ¡at ¡LEP ¡ ALEPH ¡ DELPHI ¡ L3+C ¡

19 19

ALE LEPH: H: ~ ~20 d days ys o

• f d

data t taking Data indicate that heavier component is needed to explain higher multiplicity muon bundles These muon bundles are not well described (almost an order of magnitude above the simulation) Astr Astropartic ticle le P Phys ysics cs 1 19 ( (2003) 5 513–5 –523

Astroparticle Physics 28 (2007) 273–286

DELP LPHI HI: ~ ~18.5 d days ys o

• f d

data t taking The conclusion is similar to Aleph : However, even the combination of extreme assumptions of highest measured flux value and pure iron spectrum fails to describe the abundance of high multiplicity events.

LEP ¡results ¡

20 20

LHC ¡results ¡

21 21

LHC ¡results ¡

CMS ¡ ¡

22 22

LHC ¡results ¡

CERN-­‑PH-­‑EP-­‑2010-­‑011 ¡2010/05/31 ¡

CMS ¡ ¡

23 23

LHC ¡results ¡

CERN-­‑PH-­‑EP-­‑2010-­‑011 ¡2010/05/31 ¡

CMS ¡has ¡measured ¡the ¡flux ¡ra+o ¡of ¡posi+ve-­‑ ¡to ¡nega+ve-­‑charge ¡cosmic ¡ ray ¡muons, ¡as ¡a ¡func+on ¡of ¡the ¡muon ¡momentum ¡and ¡its ¡ver+cal ¡

• component. ¡The ¡result ¡is ¡in ¡agreement ¡with ¡previous ¡measurements ¡by ¡

underground ¡experiments. ¡This ¡is ¡the ¡most ¡precise ¡measurement ¡of ¡the ¡ charge ¡ra+o ¡in ¡the ¡momentum ¡region ¡below ¡0.5 ¡TeV/c. ¡It ¡is ¡also ¡the ¡first ¡ physics ¡measurement ¡using ¡muons ¡with ¡the ¡complete ¡CMS ¡detector. ¡

CMS ¡ ¡

24 24

For horizontal muons (not discussed here)

LHC ¡results ¡

ALICE ¡

25 25

• particle identification (practically all known techniques)
• extremely low-mass tracker ~ 10% of X0
• excellent vertexing capability
• efficient low-momentum tracking – down to ~ 100 MeV/c

vertexing HM HMPID IT ITS S TP TPC C TRD TRD TO TOF dE/dx dE/dx

Time of Flight Cherenkov

The design is optimized for reconstruction and identification of particles in a wide range of transverse momentum

LHC ¡results ¡

ALICE ¡

26 26

Central detectors Inner tracking system (ITS) Time Projection Chamber (TPC) |η| < 0.9

LHC ¡results ¡

ALICE ¡

27 27

AC ACORDE is is use used t to:

• T

Trigger eve vents o

• f atmo

mospheric mu

• muons. id

identif ntify eve vents with with hig high mu multiplici city o

• f atmo

mospheric mu muons

• Ge

Gene nerate te a a fa fast s signal o

• f leve

vel ze zero tha that h has been been used ed for

• r alignme

ment and ca calibration of the inne inner c central d detectors i in A ALICE(single o

• r

mu multico coinci cidence ce mo mode).

LHC ¡results ¡

ALICE ¡

28 28

ALI LICE l loca cated 4 40 m.

• m. u

underground

• 30 m o

m of r rock ( (mo molasse) )

• 10 m o

m of a air

Threshold M Muon E Energy ~ y ~ 1 16 Ge GeV

Topics cs o

• f i

interest i in C Cosmi mic r c ray a y analys ysis i in A ALI LICE: q Muon mu multiplici city d y distribution q Study o y of co cosmi mic mu c muon b bundles q μ+/μ-

• c

charge r ratio me measureme ment q Study o y of co cosmi mic h c horizo zontal mu muons

LHC ¡results ¡

ALICE ¡

29 29

Number of muons

50 100 150 200 250 300

Number of events

1 10

2

10

3

10

4

10

5

10

6

10

7

10

8

10

ALICE

Data Uncertainties: syst. + stat.

ALICE ¡found ¡a ¡smooth ¡distribu2on ¡up ¡to ¡#μ ¡< ¡70 ¡and ¡5 ¡events ¡with ¡more ¡than ¡ 100 ¡atmospheric ¡muons ¡(HMM) ¡ Presented ¡last ¡week ¡at ¡ICRC-­‑2015 ¡

LHC ¡results ¡

ALICE ¡

30 30

LHC ¡results ¡

Number of muons

10 20 30 40 50 60 70

Number of events

1 10

2

10

3

10

ALICE

Data Monte Carlo: Fe as primary cosmic ray Monte Carlo: proton as primary cosmic ray

Presented ¡last ¡week ¡at ¡ICRC-­‑2015 ¡

The ¡data ¡approach ¡the ¡proton ¡curve ¡(low ¡mul+plici+es). ¡High ¡mul+plicity ¡data ¡lie ¡closer ¡ to ¡the ¡iron ¡curve. ¡This ¡suggests ¡that ¡the ¡average ¡mass ¡of ¡the ¡primary ¡cosmic-­‑ray ¡flux ¡ increases ¡with ¡increasing ¡energy. ¡

ALICE ¡

31 31

LHC ¡results ¡

Presented ¡last ¡week ¡at ¡ICRC-­‑2015 ¡

Pure ¡iron ¡sample ¡simulated ¡with ¡QGSJET ¡II-­‑04 ¡model ¡reproduces ¡HMM ¡event ¡rate ¡in ¡close ¡ agreement ¡with ¡the ¡measured ¡value. ¡ ¡ Independent ¡of ¡the ¡version ¡model, ¡the ¡rate ¡of ¡HMM ¡events ¡with ¡pure ¡proton ¡cosmic-­‑ray ¡ composi+on ¡is ¡more ¡difficult ¡to ¡reproduce. ¡ ¡ This ¡result ¡is ¡compa+ble ¡with ¡recent ¡measurements ¡which ¡suggest ¡that ¡the ¡composi+on ¡of ¡ the ¡primary ¡cosmic-­‑ray ¡spectrum ¡with ¡energies ¡larger ¡than ¡1016 ¡eV ¡is ¡dominated ¡by ¡ heavier ¡elements: ¡Phys. ¡Rev. ¡Lei. ¡107 ¡(2011) ¡171104. ¡

ALICE ¡

32 32

Summary ¡

Accelerator ¡apparatus ¡can ¡be ¡suitable ¡for ¡cosmic-­‑ray ¡physics ¡(CRP): ¡LEP ¡experiments ¡ were ¡the ¡pioneers ¡on ¡this ¡topic. ¡LHC ¡(ALICE ¡and ¡CMS) ¡have ¡some ¡results ¡in ¡CRP ¡(apart ¡ from ¡the ¡global ¡physics ¡studies ¡used ¡in ¡model ¡tuning ¡of ¡hadronic ¡interac+ons) ¡

LEP ¡

33 33

Summary ¡

First ¡measurement ¡of ¡LHC ¡era ¡à ¡Cosmic ¡charge ¡ra+o ¡by ¡CMS ¡(excellent ¡ tracking ¡capabili+es) ¡ ¡ ALICE ¡MMD ¡is ¡similar ¡to ¡the ¡LEP ¡previous ¡measurements. ¡For ¡the ¡first ¡ +me ¡the ¡rate ¡of ¡HMM ¡events ¡have ¡been ¡sa+sfactory ¡reproduced ¡using ¡ conven+onal ¡hadron ¡interac+on ¡models ¡(QGSJET ¡II-­‑04 ¡tuned ¡with ¡LHC ¡ data) ¡à ¡test ¡of ¡the ¡LHC ¡results ¡with ¡hadronic ¡models ¡OK ¡ ¡ ALICE ¡observa2on ¡places ¡significant ¡constraints ¡on ¡alterna2ve, ¡more ¡ exo2c, ¡produc2on ¡mechanisms) ¡ ¡

LHC ¡

34 34

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35 35

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Main topic with accelerator apparatus

• Magnetic f

c field + + P Preci cise mo mome mentum me m measureme ment

• Muon mo

mome mentum s m spect ctrum a m and c charge r ratio ( (L3 L3) Charge r ratio ( (CMS)

• High tracking capabilities
• Muon-bundles (high muon density): Aleph, Delphi, L3

and Alice

36 36

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1) 4.75 μ/m2 Zenith=40.80 Primary energy = 3 x 1016 eV 2) 5.3 μ/m2 Zenith=37.70 Primary energy = 3 x 1016 eV 3) 8.9 μ/m2 Zenith=400 Primary energy = 6 x 1016 eV 4) 8.2 μ/m2 Zenith=48.60 Primary energy = 7 x 1016 eV 5) 18.6 μ/m2 Zenith=270 Primary energy = 1017 eV

The f five ve h highest mu multiplici city e y eve vents, w with u up t to 1 150 mu muons w within a an a area o

• f 8

8 m m2, ,

• ccu

ccur w with a a f frequency w y which i is a almo most a an o

• rder o
• f ma

magnitude a above ve t the simu mulation.

Astr Astropartic ticle le P Phys ysics cs 1 19 ( (2003) 5 513–5 –523 ALE LEPH: H: ~ ~20 d days ys o

• f d

data t taking

37 37

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Z-alice X-alice X-cor Y-cor Z-cor

38 38

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rodilla tobillo E-2.7

• Density of the galactic primary cosmic ray: ~ 1 eV/cm3
• Protons for energies below 1016 eV
• Heavy nuclei composition: ~ 8*1016 eV (Phys
• ys. R
• Rev. Le
• Lett. 1

107, 1 171104 ( (2011)) Galact ctic c Kne Knee Ankle Ankle

39 39

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rodilla tobillo Current LHC energy Kne Knee Ankle Ankle

40 40

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MACRO-EASTOP K KASCADE : :

• Primary Composition Ln(A) vs Energy
• A=mass of the primary nucleus

There i is a an i incr crease o

• f t

the:

• <A> above the knee
• <A> ~ 8 at 3 x 1015 eV
• <A> ~ 30 at 3 x 1016 eV

KASCADE-GRAND NDE : :

• e

elect ctron-poor s samp mple s select cts h heavy e vy eleme ments ( (Fe) a and shows a a k knee a at E E~ 8 8 x x 1 1016

16 eV

eV

• e

elect ctron-rich s samp mple s select cts l light e eleme ments a and t the k knee is a at l lower e energy E y E ~ ~ 3 3 x x 1 1015

15 eV

eV

41 41

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68 atm. Muons MCN: 51

42 42

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43 43

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