Эксперимент LHCf

Эксперимент LHCf будет проводиться на нескольких маленьких детекторах. Они установлены в туннеле LHC на расстоянии 140 метров от центра детектора ATLAS, по обеим сторонам от него. Этот детектор будет регистрировать высокоэнергетические нейтральные частицы, фотоны, нейтроны и нейтральные пи-мезоны, рождающиеся в столкновениях и вылетающие практически вдоль оси пучков (буква f в названии эксперимента «намекает» на слово “forward” — вперед). Отделить эти частицы от основного пучка можно благодаря их электрической нейтральности. Протонный пучок, испытавший столкновение в центре детектора ATLAS, уже будет отклонен магнитом-разделителем пучков и пройдет мимо LHCf. Нейтральные же частицы, на траекторию которых магнитное поле не влияет, будут лететь по прямой и попадут в детектор (см. рис. 1).

Рис. 1. Схема расположения детекторов эксперимента LHCf. Нейтральные частицы, родившиеся в столкновении протонов в центре детектора ATLAS и вылетевшие вперед (волнистая оранжевая линия), не отклоняются магнитным полем и попадают в детектор LHCf. Схема не отражает реальные масштабы. Рис. И. Иванова

Детектор LHCf состоит из двух калориметров с поперечными размерами 2 на 2 см и 4 на 4 см, слегка различающихся дизайном. На торцах калориметра будет располагаться также полупроводниковый детектор, который будет измерять координаты частиц в поперечной плоскости с точностью в десятые доли миллиметра. Ожидается, что энергия будет измеряться с точностью несколько процентов для фотонов и несколько десятков процентов — для нейтронов.

Эксперимент LHCf будет очень краткосрочным. Количество вылетающих вперед частиц будет очень велико, так что требуемое количество данных будет накоплено уже за неделю работы на светимости 10²⁹ см^–2·сек^–1. После этого начнется быстрая деградация пластиковых сцинтилляторов от жесткой радиации, и как только светимость повысится до 10³⁰ см^–2·сек^–1, детектор будет демонтирован.

Этот эксперимент относится не к самой физике элементарных частиц, а, скорее, к астрофизике. Его цель — улучшить понимание космических лучей высоких энергий. В эксперименте будет измерено, сколько нейтральных частиц и с какими энергиями рождается в направлении вперед в столкновениях протонов. Эти данные позволят проверить теоретические модели, описывающие столкновения протонов из космических лучей сверхвысоких энергий с атмосферой и развитие широких атмосферных ливней. Поскольку на LHC протоны сталкиваются лоб в лоб, а частицы космических лучей налетают на практически неподвижные ядра, то эксперимент LHCf сможет проверить модели космических лучей вплоть до энергии 10¹⁷ эВ.

Коллаборация

Над экспериментом LHCf работает 31 ученый из 6 стран мира. Наиболее представительны группы из Италии и Японии.

Дополнительная литература:

• Официальный сайт эксперимента LHCf.
• The LHCf detector at the CERN Large Hadron Collider // Journal of Instrumentation, 3 S08006 (2008) — технический обзор эксперимента.