[論文レビュー] A Heavy Metal Path to New Physics

Marco Drewes, A. Giammanco+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、LHCにおける重イオン衝突を、非標準模型の新しい物理現象の発見に向けた優れた環境として提案している。特に、インstantaneous luminosityが低いためトリガーが緩く設定可能で、積み重ね（pile-up）が減少するため、長寿命粒子の検出感度が向上する。重ねて、ニュートリノ最小標準模型における重いニュートリノを想定した場合、重イオン衝突は陽子-陽子衝突よりも単位時間あたりの感度が高くなることを示している。

ABSTRACT

We show that heavy ion collisions at the LHC provide a promising environment to search for signatures with displaced vertices in well-motivated New Physics scenarios. The lower instantaneous luminosity in heavy ion collisions allows to operate the LHC experiments with very loose triggers. For scenarios in which long-lived particles are produced in the decay of light particles, this can increase the number of observable events by several orders of magnitude. If ions lighter than Pb are used, as it is currently discussed in the heavy ion community for unrelated reasons, this can lead to a higher sensitivity per time of running than in pp collisions. We illustrate that explicitly for heavy neutrinos in the Neutrino Minimal Standard Model. Another advantage of heavy ion collisions is the fact that there is no pile up, i.e., the average number of simultaneous interactions per bunch crossing is well below unity. This entirely removes the problem of mis-identifying the location of the primary vertex, which may be the key to trespass the systematics wall due to background uncertainties in the cases where background contamination mostly comes from SM particles that originate from different parts of the interaction region. This provides strong motivation to further explore the possibility to search for New Physics in heavy ion collisions.

研究の動機と目的

• LHCにおける重イオン衝突が、ずれた頂点を伴う新しい物理現象の発見に果たす可能性を検討すること。
• 陽子-陽子衝突における積み重ねによる誤った一次頂点の特定に起因する背景不確実性の課題に対処すること。
• 重イオン衝突における低い瞬時光度が、緩いトリガーを可能にし、長寿命粒子の観測可能なイベント数を著しく増加させることを示すこと。
• 鉛よりも軽いイオンを使用することで、陽子-陽子衝突と比較して、単位時間あたりの感度がさらに向上することを示すこと。
• 重イオン衝突に特有の積み重ねの欠如が、背景汚染に起因する系誤差を低減する主な利点であることを強調すること。

提案手法

• 重イオン衝突における低い瞬時光度を活用し、非常に緩いトリガー閾値を設定することで、ずれた頂点を伴うイベントの受容率を向上させること。
• ニュートリノ最小標準模型における重いニュートリノのような長寿命粒子の生成と崩壊を、重イオン環境内でモデル化すること。
• 平均1バッチ交差あたり1未満の積み重ねの低減が、頂点再構築の正確性と背景抑制に与える影響をシミュレーションすること。
• 観測可能なイベント数を単位時間あたりに評価することで、重イオン衝突と陽子-陽子衝突の感度を比較すること。
• 重イオン衝突におけるクリーンな相互作用環境と正確な一次頂点同定による、信号対背景比の向上を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCにおける重イオン衝突は、陽子-陽子衝突と比較して、ずれた頂点を伴う長寿命粒子の発見領域を著しく拡大できるか？
• RQ2 重イオン衝突における積み重ねの低減は、誤った一次頂点の特定に起因する系誤差をどの程度軽減できるか？
• RQ3 鉛よりも軽いイオンを用いることで、ずれた頂点探索における新しい物理信号の感度にどのような影響を与えるか？
• RQ4 重イオン衝突における緩いトリガーは、長寿命粒子の観測可能なイベント数にどのような影響を及えるか？
• RQ5 ニュートリノ最小標準模型は、重イオン衝突が新しい物理探索において果たす利点を実証するための具体的なベンチマークとして機能できるか？

主な発見

• 重イオン衝突における低い瞬時光度のおかげで、非常に緩いトリガーが可能となり、長寿命粒子の観測可能なイベント数が数個のオーダーも増加する。
• 重イオン衝突には積み重ねがないため、陽子-陽子衝突において主要な背景不確実性要因である一次頂点の誤特定の問題が完全に解消される。
• ニュートリノ最小標準模型における重いニュートリノに関しては、重イオン衝突が陽子-陽子衝突よりも単位時間あたりの感度が高くなる。
• 現在重イオンコミュニティで議論されている鉛よりも軽いイオンを用いることで、Pb-Pb衝突と比較して、さらに感度が向上する。
• 重イオン衝突のクリーンな環境は、相互作用領域の異なる部分から生じる標準模型粒子による背景汚染を著しく低減する。