Analisi degli spettri di particelle neutre prodotte a piccolo angolo con l’esperimento LHCf a LHC

Cosmic rays, especially ultra-high energy cosmic rays (UHECRs), have been the subject of extensive study due to their relevance to astrophysics and particle physics. Although substantial progress has been made through ground-based experiments, like the Pierre Auger and Telescope Array Observatories, several uncertainties remain due to the dependence on hadronic interaction models for data interpretation. These models are critical for understanding cosmic ray composition and the mechanisms behind their production and acceleration. The LHC-forward (LHCf) experiment at the Large Hadron Collider (LHC) plays a key role in addressing these uncertainties by providing valuable measurements of forward particle production in proton-proton and proton-ion collisions. This thesis presents a detailed overview of the LHCf experiment, its role in forward physics, and its recent contributions to the so-called "Muon Puzzle" in hadronic interaction models. Chapter 1 presents an overview of cosmic ray physics and the challenges in detecting UHECRs, including the simulation and experimental techniques used in extended air shower models. Special attention is given to the hadronic interaction models and their limitations, which are crucial for interpreting UHECR data. Chapter 2 discusses the Large Hadron Collider (LHC) and its experiments, with a focus on their results concerning the Muon Puzzle and the LHCf experiment, detailing its experimental apparatus, data acquisition systems, and published results. A major part of this work is the analysis of the production of the η meson in proton-proton collisions at √s = 13 TeV with the LHCf-Arm2 detector, detailed in Chapter 3. The production rate as a function of the Feynman-x variable is measured, and the results are compared with predictions from widely used hadronic interaction models. The future prospects of this analysis, leveraging data collected by LHCf during the LHC RUN III at √s = 13.6 TeV, are discussed, highlighting the necessity for the calibration of the LHCf-Arm2 detector, described in Chapter 4, with a focus on the SPS H2 beam test, which assesses energy resolution, linearity, and systematic uncertainties affecting the detector absolute energy scale. Finally, Chapter 5 presents the conclusions of this thesis and outlines future perspectives, including two ongoing works, the measurement of the η /π production ratio and the application of machine learning techniques to enhance the reconstruction of multiple calorimetric clusters in the LHCf experiment.

I raggi cosmici, in particolare i raggi cosmici ad altissima energia (UHECR), sono stati oggetto di studi approfonditi a causa della loro rilevanza per l'astrofisica e la fisica delle particelle. Sebbene siano stati compiuti progressi sostanziali attraverso esperimenti a terra, come gli osservatori Pierre Auger e Telescope Array, permangono diverse incertezze dovute alla dipendenza dai modelli di interazione adronica per l'interpretazione dei dati. Questi modelli sono fondamentali per comprendere la composizione dei raggi cosmici e i meccanismi alla base della loro produzione e accelerazione. L'esperimento LHC-forward (LHCf) presso il Large Hadron Collider (LHC) svolge un ruolo chiave nell'affrontare queste incertezze, fornendo preziose misurazioni della produzione di particelle in avanti nelle collisioni protone-protone e protone-ione. Questa tesi presenta una panoramica dettagliata dell'esperimento LHCf, del suo ruolo nella fisica avanzata e dei suoi recenti contributi al cosiddetto "Muon Puzzle" nei modelli di interazione adronica. Il capitolo 1 presenta una panoramica della fisica dei raggi cosmici e delle sfide nel rilevamento degli UHECR, comprese le tecniche di simulazione e sperimentali utilizzate nei modelli di sciame d'aria estesi. Particolare attenzione è data ai modelli di interazione adronica e ai loro limiti, che sono cruciali per l'interpretazione dei dati UHECR. Il capitolo 2 discute il Large Hadron Collider (LHC) e i suoi esperimenti, con particolare attenzione ai loro risultati riguardanti il Muon Puzzle e l'esperimento LHCf, dettagliando il suo apparato sperimentale, i sistemi di acquisizione dati e i risultati pubblicati. Una parte importante di questo lavoro è l'analisi della produzione del mesone η in collisioni protone-protone a √s = 13 TeV con il rivelatore LHCf-Arm2, dettagliata nel Capitolo 3. Viene misurato il tasso di produzione in funzione della variabile Feynman-x e i risultati vengono confrontati con le previsioni di modelli di interazione adronica ampiamente utilizzati. Vengono discusse le prospettive future di questa analisi, sfruttando i dati raccolti da LHCf durante l'LHC RUN III a √s = 13.6 TeV, evidenziando la necessità della calibrazione del rivelatore LHCf-Arm2, descritta nel Capitolo 4, con particolare attenzione al test del fascio SPS H2, che valuta la risoluzione energetica, la linearità e le incertezze sistematiche che influenzano la scala di energia assoluta del rivelatore. Infine, il Capitolo 5 presenta le conclusioni di questa tesi e delinea le prospettive future, inclusi due lavori in corso, la misura del rapporto di produzione η/π e l'applicazione di tecniche di apprendimento automatico per migliorare la ricostruzione di cluster calorimetrici multipli nell'esperimento LHCf.