[論文レビュー] ANUBIS: Proposal to search for long-lived neutral particles in CERN service shafts

Martin Bauer, O. Brandt+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 18被引用数 31

ひとこと要約

ANUBISは、CERNのATLAS実験の既存の56メートルの深さのPX14サービスシャフトに追跡ステーションを設置することで、長寿命の中性粒子の探索を提案する。既存のインフラを活用することで、$m_{\text{LLP}} \gtrsim 1$ GeVの領域において、$c\tau \sim 10^6$ mまで到達する寿命感度を2〜3桁向上させ、現在の実験や計画中の実験（例：MATHUSLA や CODEX-b）を上回りながらも、費用のほんの一部で実現可能である。

ABSTRACT

Long-lived particles are predicted by many extensions of the Standard Model and have been gaining interest in recent years. In this Letter we present a competitive proposal that substantially extends the sensitivity in lifetime by instrumenting the existing service shafts above the ATLAS or CMS experiments with tracking stations. For scenarios with electrically neutral long-lived particles with $m \gtrsim 1$~GeV, the lifetime reach is increased by 2-3 orders of magnitude compared to currently operating and approved future experiments at the LHC. A detector design proposal is outlined along with projected costs.

研究の動機と目的

• 長寿命中性粒子（LLP）の感度に欠ける領域、特に$c\tau > 10^2$ m かつ $m_{\text{LLP}} \gtrsim 1$ GeV の領域をカバーするため。
• CERNの未利用の既存の掘削済みサービスシャフト（例：ATLAS PX14）を活用し、大規模で低コストなLLP検出を可能にするため。
• 最小限の土木工事でLHCの現在のオン・アームおよびオフ・アームのLLP実験を凌駕する感度を実現するため。
• Run 3のLHCに向けた2ユニットのプロトタイプ計画（PX14シャフトの下部および上部）を通じて、実現可能性を示し、ATLASとの検出器統合の妥当性を検証するため。
• 奇妙なヒッグス崩壊やダークセクター理論の探査に向けた、費用対効果に優れ、スケーラブルなソリューションを提供するため。

提案手法

• PX14サービスシャフト（直径18 m、長さ56 m）のシャフト壁に複数の追跡ステーションを設置する。
• ATLASの衝突点から80 m上部まで延びる連続的かつ投影型の追跡ジオメトリを採用し、$c\tau$の感度を0〜$10^6$ mにまでカバーする。
• ATLASの既存インfraおよびトリガー系（10 $\mu$sのレベル0トリガー遅延を含む）を活用し、同期化されたデータ取得を実現する。
• シリコンストリップまたはピクセル検出器を追跡ステーションとして採用し、コスト削減のための代替案として微細なグレインのスチルシレーターも検討する。
• 完全な追跡再構築とバーテックスのずれ特定による背景抑制技術を適用する。
• ヒッグス粒子がLLPに崩壊するベンチマークモデル（$h \to ss$、$m_s = 5, 10, 40$ GeV）を用いて感度予測を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CERNの既存で未使用のサービスシャフトを、長寿命中性粒子に対する競争力のある感度を達成するために再利用可能か？
• RQ2 PX14シャフトに設置された検出器の実現可能な寿命感度（$c\tau$）は、現在の実験および計画中のLLP実験と比べてどの程度か？
• RQ3 異なるLLP質量および寿命の範囲で、ANUBISの感度はMATHUSLAやCODEX-bと比べてどの程度か？
• RQ4 既存のシャフトに大規模なLLP検出器を設置するための予想コストと技術的実現可能性は？
• RQ5 わずか4〜50個の信号イベントのみで、背景レベルを十分に制御し、希少なLLP崩壊の発見が可能か？

主な発見

• ANUBISは、現在稼働中または承認済みの将来のLHC実験と比較して、$m_{\text{LLP}} \gtrsim 1$ GeVの領域で2〜3桁の寿命感度の向上を達成する。
• $c\tau \lesssim 10$ mではMATHUSLAを上回り、$c\tau \gtrsim 1$ mではATLASの探査範囲を多数桁にわたって拡張する。
• 検出器の全インストルメンテッド面積2,320 m²は、MATHUSLAの体積のおよそ1％に過ぎないが、約1000万ユーロのコストで同等の感度を達成する。
• 50個の信号イベントが必要な証拠の前提のもとで、$Br(h \to ss)$の証拠閾値はたった1桁の増加にとどまる。
• ATLASのミューオンスプライセーターの外縁（衝突点から約10 m）まで検出体積を拡張することで、$c\tau \lesssim 100$ mの領域における発見感度が顕著に向上する。
• Run 3のLHCに向けた2ユニットのプロトタイプ計画（PX14シャフトの下部および上部）を通じて、機械的・読み出し・背景の課題の検証が可能であり、実現可能性が示された。