[論文レビュー] CMS-XSEN: LHC Neutrinos at CMS. Experiment Feasibility Study

S. Buontempo, G. M. Dallavalle+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 12, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、LHCにおける陽子-陽子衝突から生じる高エネルギーニュートリノを研究するための、コンパクトなニュートリノ検出器であるCMS-XSENの実現可能性に関する研究を提案する。CMSの衝突点から25 m離れたQ1フォーカス磁石付近に設置され、HFケロリメータとフォワードシールドによって保護されるこの検出器は、300 fb⁻¹の光度のもとで、1,000件を超えるτニュートリノの相互作用と約100 TeVニュートリノの相互作用を観測可能であり、τニュートリノのフラックスが増幅される4 < |η| < 5の偽快速度領域における断面積測定が可能となる。

ABSTRACT

We discuss a CMS eXtension for Studying Energetic Neutrinos (CMS-XSEN). Neutrinos at the LHC are abundant and have unique features: their energies reach out to the TeV range, and the contribution of the τ flavour is sizeable. The measurement of their interaction cross sections has much physics potential. The pseudorapity range 4

研究の動機と目的

• LHCにおける陽子-陽子衝突から生じる高エネルギーニュートリノの検出の実現可能性を評価すること。特に、τニュートリノフラックスが増幅される4 < |η| < 5の偽快速度領域に焦点を当てる。
• TeVエネルギー領域におけるニュートリノ相互作用断面積を測定する可能性を評価すること。これは、顕著な物理学的ポテンシャルを有する領域である。
• 過酷なLHC環境に耐えられるとともにニュートリノ相互作用を測定可能な、コンパクトで費用対効果に優れた検出器の設計をすること。
• 主な背景源、特に衝突点からのプロンプトミューオンとマシン由来の背景を特定し、それらを低減する対策を講じること。
• 2018年のLHC走行期間中に、核エマルジョンを用いた小型ニュートリノ実験デモンストレータを用いたテストフェーズを提案すること。

提案手法

• CMSの衝突点から25 m離れたLHCトンネル内に、4.1×10²⁷ nucleons/cm²の検出器を設置する。この位置はQ1フォーカス磁石の近くに位置する。
• 既存のHFハドロンケロリメータとCMSフォワードシールドを活用し、衝突破片および放射線から検出器を保護する。
• 2021–2023年のLHC走行期間に予想される300 fb⁻¹の高光度を活用して、ニュートリノ相互作用の検出に十分な統計的精度を達成する。
• bおよびcクォークの崩壊に起因するニュートリノフラックスをモデル化し、特にレプトン的W崩壊が4 < |η| < 5の領域でτニュートリノ成分を増幅することを考慮する。
• プロンプトミューオンやマシン由来の背景を、空間的および時間的変動を考慮してシミュレーションし、推定する。
• 2018年の短期テストフェーズとして、核エマルジョンを用いた小型ニュートリノ実験デモンストレータの設置を提案し、主な検出原理の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Q1磁石の近くに設置されたコンパクトなニュートリノ検出器が、陽子-陽子衝突から生じる高エネルギーニュートリノをLHCトンネル内で効果的に検出可能であるか。
• RQ2 300 fb⁻¹の光度のもとで、4 < |η| < 5の偽快速度領域におけるτニュートリノおよび他のフレーバーの相互作用率はどの程度か。
• RQ3 プロンプトミューオンとマシン由来の背景は、提案された検出器設置位置でどの程度顕著であり、それらを低減できるか。
• RQ4 2018年のLHC走行期間中に、核エマルジョンを用いた小型デモンストレータが、信頼性の高いキャリブレーションおよび検証データを提供できるか。
• RQ5 このような検出器が、特にτフレーバーのニュートリノ断面積をTeVエネルギー領域で測定する可能性はどの程度か。

主な発見

• 300 fb⁻¹の光度のもとで、提案された検出器は4 < |η| < 5の偽快速度領域で1,000件を超えるτニュートリノの相互作用を観測可能である。
• 全フレーバーを含め、約100件のTeVニュートリノ相互作用が予想され、高精度な断面積測定が可能となる。
• τニュートリノフラックスは、bおよびcクォークの崩壊に起因するWボソンのレプトン的崩壊に起因し、4 < |η| < 5の領域で増幅される。
• 衝突点からのプロンプトミューオンは主要な背景源であるが、CMSの磁場およびフォワードシールド構造の影響により、検出器領域におけるフラックスは不確実である。
• マシン由来の背景はビーム線に沿っておよびそれ以外の方向に急速に変化するため、背景モデルの構築が複雑である。
• 2018年の短期テストフェーズとして、核エマルジョンを用いた小型ニュートリノ実験デモンストレータの設置を提案し、運用経験の蓄積と検出技術の妥当性の検証が可能となる。