[論文レビュー] FASER: ForwArd Search ExpeRiment at the LHC

FASER Collaboration, A. Ariga+26 more|arXiv (Cornell University)|Jan 11, 2019

Particle Detector Development and Performance被引用数 25

ひとこと要約

FASERは、LHCの遠方前方領域で生成され、480 m下流で可視粒子に崩壊する長寿命で弱く相互作用する粒子（例：ダークフォトン、アクシオン様粒子、重い中性レプトン）を探索するコンpakな低コスト実験を提案する。検出器は、使用されていないサイドトンネル（TI12/TI18）に設置され、14 TeVでの高い非弾性断面積を活用して、最小限のインfra構造とコストで、まれで低運動量の長寿命粒子に対する優れた感度を達成する。

ABSTRACT

FASER, the ForwArd Search ExpeRiment, is a proposed experiment dedicated to searching for light, extremely weakly-interacting particles at the LHC. Such particles may be produced in the LHC's high-energy collisions in large numbers in the far-forward region and then travel long distances through concrete and rock without interacting. They may then decay to visible particles in FASER, which is placed 480 m downstream of the ATLAS interaction point. In this work, we describe the FASER program. In its first stage, FASER is an extremely compact and inexpensive detector, sensitive to decays in a cylindrical region of radius R = 10 cm and length L = 1.5 m. FASER is planned to be constructed and installed in Long Shutdown 2 and will collect data during Run 3 of the 14 TeV LHC from 2021-23. If FASER is successful, FASER 2, a much larger successor with roughly R ~ 1 m and L ~ 5 m, could be constructed in Long Shutdown 3 and collect data during the HL-LHC era from 2026-35. FASER and FASER 2 have the potential to discover dark photons, dark Higgs bosons, heavy neutral leptons, axion-like particles, and many other long-lived particles, as well as provide new information about neutrinos, with potentially far-ranging implications for particle physics and cosmology. We describe the current status, anticipated challenges, and discovery prospects of the FASER program.

研究の動機と目的

• LHC衝突の遠方前方領域で多数生成される、軽量で弱く結合する粒子（例：ダークフォトン、アクシオン様粒子）を探索すること。
• 13 TeVで約75 mbの高い非弾性断面積（150 fb⁻¹で約1.1×10^16イベント）を活用し、検出可能な十分な割合でまれな長寿命粒子を生成すること。
• ATLAS衝突点から480 m下流に設置されたコンパクトで安価な検出器を用いて、これらの粒子の可視標準模型（SM）粒子への崩壊を検出すること。
• 高pTトリガーに依存する実験では見逃される低横動量、長寿命の署名を補完すること。
• スケーラブルな二段階計画（FASERおよびFASER 2）を通じて、ニュートリノの性質やダークマター候補を含む新しい物理の発見可能性を高めること。

提案手法

• ATLAS衝突点から480 m下流の使用されていないサイドトンネルTI12に、コンパクトな検出器（0.047 m³の崩壊体積）を設置し、長寿命粒子の崩壊を捉えること。
• 13 TeVでの高い非弾性pp断面積（σinel ≈ 75 mb）とメソン（例：π⁰: 4.6×10¹⁸, η: 5.0×10¹⁷）の前方生成を活用して、潜在的新しい粒子の大流量を生成すること。
• ATLAS（SCTモジュール）およびLHCb（コリメータモジュール）の余剰ハードウェアを活用し、コストと建設期間を最小限に抑えること。
• ずれた頂点および低エネルギーエネルギー損失に敏感なトリガーシステムを導入し、長寿命粒子のまれな崩壊を検出する最適化を行うこと。
• 計算コストを削減するため、高速シミュレーション技術とパrameter化されたシャワーモデルを用い、主要LHC実験と比較してCPU使用量が無視できるほど少ないこと。
• HL-LHC時代（2026–2035）に向け、Long Shutdown 3中にFASER 2（R ~ 1 m, L ~ 5 m, 約10 m³体積）を計画し、感度を向上させること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ATLAS衝突点から480 m下流に設置されたコンパクトで低コストの検出器は、LHC衝突の遠方前方領域で生成される長寿命で弱く相互作用する粒子を検出可能だろうか？
• RQ2 FASERが、質量がMeV–GeV範囲のダークフォトン、アクシオン様粒子、および重い中性レプトンに対して、どの程度の発見可能性を有するだろうか？
• RQ3 14 TeV LHCにおける高い非弾性断面積とメソン（例：B, D, π⁰, η）の前方生成は、どのように軽量で弱く結合する粒子の大量生成を可能にするのか？
• RQ4 FASERの設計と余剰検出器部品の使用は、最小限のコストと建設期間で、どの程度高い感度を達成できるのか？
• RQ5 FASER 2（HL-LHC時代に計画された、より大きな後続実験）の感度向上の見込みと運用上の課題は何か？

主な発見

• FASERは、LHC衝突の遠方前方領域で生成される長寿命で弱く相互作用する粒子の崩壊を検出することを目的としており、わずか0.047 m³の崩壊体積と1 m × 1 m × 5 mのコンパクトなフットプリントを持つ。
• 実験はLHC Run 3（2021–2023）中にデータ収集を予定しており、建設および設置はLong Shutdown 2（2019–2020）中に計画されている。
• FASERの総建設コストは約800 kCHFであり、うち約2 MCHFが民間資金、約300 kCHFがCERNの土木工事費用である。これにより、低コストで世界的な物理的成果を達成できる。
• 検出器は、余剰のATLAS SCTモジュールおよびLHCbコリメータモジュールを活用しており、コスト削減と導入の加速が図られている。
• FASER 2は、約10 m³の崩壊体積を持つより大きな後続実験であり、Long Shutdown 3（2024–2026）に計画されており、HL-LHC時代（2026–2035）に稼働予定で、FASERのコストの5–10倍程度に見積もられている。
• 主要LHC実験と比較して、計算およびストレージ要件は無視できるほど少なく、高速シミュレーションと低占有率のため、シミュレーションおよび再構成に必要なCPU時間も最小限に抑えられている。