様式８

令和 4 年度（2022） 共同利用研究・研究成果報告書
研究課題名 和文：Knee 領域および最高エネルギー領域での宇宙線反応の実験的研究
英文：Cosmic ray interactions in the knee and the highest energy regions
研究代表者
毛受弘彰 （名古屋大学）
参加研究者
伊藤 好孝、村木 綏、大橋 健、近藤 萌、北上悠河（名古屋大学）、
笠原 克昌、（芝浦工大）、
櫻井 信之（徳島大学）、
﨏 隆志、佐川 宏行（東大宇宙線研）

研究成果概要本研究では、LHC および RHIC 加速器の最前方方向生成粒子を測定することによって、宇宙線と地球大気とのハドロン相互作用を理解することを目的とする LHCf
実験と RHICf 実験を推進する。これによって、宇宙線空気シャワーの観測結果から一次宇宙線情報推定の系統誤差を低減することができる。
2022 年度には LHC 加速器での重心系衝突エネルギー13.6TeV 陽子-陽子の測定を 9 月に実施した。測定は LHCf 実験に最適なビーム条件（低ルミノシティ、最大のバンチクロッシング角）で実施され、3 日間の測定で 300M イベントを取得した。
2015 年度に衝突エネルギー13TeV で実施した測定では 40M イベントであったことから単純な統計でも 7 倍以上のデータを取得できたことになる。加えて、今回の測0定でターゲットとしている高エネルギーπ 、ηに特化したトリガーを新規に導入したことによって効率的なイベント取得を行うことができたため、解析に対する有効統計は 20 倍以上となった。図１は、2 光子事象に対する再構成質量の分布である。
0

測定と同時に行ったクイック解析の結果ではあるが、π とηの質量に相当するピークがはっきりと見て取ることができる。この解析時は、CPU リソースの制限から取0得したデータの 4 分の 1 の統計しか解析に使われていないが、π とηともに 2015年時の測定の数倍の統計数が取得できたことが確認できた。2015 年データを使った両解析では統計誤差が主要な誤差となっているため、2022 年データの解析によって測定精度の大きな向上が期待できる。

Obtained Data
でと同様に ATLAS 実験との共同測定を実施している。今回の測定のこCounts

invariantO.Di-photon
ADRIANIet al. mass

また、2022 年の測定時にはこれま

105

104

れまでとの大きな違いが、AFP とZDC 検出器との共同測定と取得でき

pp s=13.6 TeV 2022
LHCf Arm2 preliminary not calibrated
beam-center position

π0 mass
peak

Ve103

た統計数の 2 つである。AFP はロマンポット型検出器で回折事象によっ102て散乱された陽子を直接測定することができる検出器であり、これまで行ってきた回折事象のより詳細な研100rery plna
imi

Reconstructed massfrom di-photon eventsryη masspeak

LHCf events:
Obtained η events~ 100 events

Only one Arm
Only FIG.
one of2.theReconstructed
detector position
invariant mass distributions in p þ ppffiffi
Only 1/4 of the statistics
collisions at s ¼ 7 TeV. Left: Type-II π 0 events in the Arm2
Temporal calibration factor
0x ~ 50 inc

100

small
events in the Arm2 large
200 calorimeter.
300
400 Right:
500 Type-II
600 π 700Mγ γ [MeV]
calorimeter. The solid curves show
the best-fit composite physics
model to the invariant mass distributions.

Improve/open many analysis channels w

図 1：2022 年取得したデータによる 2 光子事0s and Λ measurements
究が可能となる。
ZDC 検出器は LHCf 象の再構成質量分布。
Figureincluding
2 shows theKreconstructed
two-photon invariantmass(M)distributionsofLHCf
datain theUniv,
rapidity
17-18
Nov
2022
WANP2022,
NagoyaJapan range
γγ
検出器の後ろに設置されるカロリー
8.8 < y < 10.8. The left and right panels of Fig. 2 show the
メータ型検出器であり、LHCf と ZDC の 2 つを組み合わせて解析することで中性子
distributions for Type-II events in the Arm2 small calorimeter and Arm2 large calorimeter, respectively. The sharpのエネルギー分解能を 40％から 20％まで飛躍的に向上させることができる。LHCfpeaks around 135 MeV are due to π 0 events. The distriと ZDC の共同のビームテストを 2021 年に実施しており、350GeV
陽子ビームを使
butions inFig.
based only on data from p þ ppffiffi 2 arecollisions at s ¼ 7 TeV during LHC Fill 1104. Similarって分解能向上を確認している（2021 年度報告）。またデータ取得ではこれまではinvariant mass distributions are obtained from other fills
and from Arm1. Kinematic quantities of the π 0 s
ATLAS のデータ取得側で LHCf トリガーに対してプリスケールされてデータ取得さ(4-momenta, pT , pz , and rapidity) are reconstructed byれていたが、今回の測定ではそれがなくなり、2015using
年のthe50photon
倍の共同イベントの取energies and incident positions measured
bytheLHCfcalorimeters
and are used for producing the pT得ができた。
and pz distributions. The projected position of the proton
beam axis on the LHCf detector (beam center) is used inorder to derive the correct pT and pz values of each event.
最後に、毎年開催している「空気シャワー観測による宇宙線の起源探索勉強
The beam center position is obtained from the LHCf会」について報告する。本年度は、3 月 27­28 日の日程で名古屋大学とオンライ
position-sensitive detectors of Arm1 and Arm2 for each fill.
The π 0 event selection criteria that are applied prior to theンでのハイブリット開催で実施した（https://indico.cern.ch/event/1244851/）。
reconstruction of the π 0 kinematics are summarized inTable I. Type-I events accompanied by at least one addi採択いただいた研究費は、この研究会のハイブリット対応機器の整備のために使用
tional background particle in one of the two calorimeters
した。研究会では、多くの学生、若手研究者からの講演があり、活発な議論が行わ(usually a photon or a neutron) and not originating in a π 0
decay are denoted as multihit π 0 events and are rejected as
れた。
background events. Similarly, Type-II events accompanied
by at least one additional background particle in thecalorimeter used for π 0 identification are rejected.
学会発表等：•“Very forward particle measurement with TABLE
LHCf I.andRHICf”,
H. Menjo
Summaryof criteria
for selection of the π 0 sample.
et al., 招待講演, ISVHECRI 2022 (Virtual, 23­28 May 2022)
Type-I π 0 events•

Incident position

Within 2 mm from the edge of calorimeter

Number of hits
PID

Single hit in each calorimeter
Photonlike in each calorimeter

Incident position
Energy threshold
Number of hits
PID

Type-II π 0 events
Within 2 mm from the edge of calorimeter
Ephoton > 100 GeV
Two hits
Photonlike“ Status of the LHCf experiment” K. Ohashi
et al., UHECR 2022
Energy threshold E> 100 GeV(LʼAquila, Italy, 3-7 Oct. 2022)

整理番号F24photon032007