[論文レビュー] First Measurement of the Muon Neutrino Interaction Cross Section and Flux as a Function of Energy at the LHC with FASER

FASER Collaboration, Roshan Mammen Abraham+108 more|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2024

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、LHCにおける13.6 TeVの陽子-陽子衝突データ65.6 fb⁻¹を用いて、TeVエネルギー範囲におけるミュオンニュートリノの電荷現在反応断面積およびフラックスの、初めての微分的測定を提示している。FASER検出器は338.1 ± 21.0個のミュオンニュートリノイベントを特定し、エネルギー依存の断面積とフラックスを同時に抽出可能にした。得られた結果は、標準模型の予測と整合しており、パイオンおよびカイオンの崩壊からの寄与が明確に解明された。

ABSTRACT

This Letter presents the measurement of the energy-dependent neutrino-nucleon cross section in tungsten and the differential flux of muon neutrinos and antineutrinos. The analysis is performed using proton-proton collision data at a center-of-mass energy of 13.6 TeV and corresponding to an integrated luminosity of (65.6±1.4) fb$^{-1}$. Using the active electronic components of the FASER detector, 338.1±21.0 charged current muon neutrino interaction events are identified, with backgrounds from other processes subtracted. We unfold the neutrino events into a fiducial volume corresponding to the sensitive regions of the FASER detector and interpret the results in two ways: (i) we use the expected neutrino flux to measure the cross section, and (ii) we use the predicted cross section to measure the neutrino flux. Both results are presented in six bins of neutrino energy, achieving the first differential measurement in the TeV range. The observed distributions align with standard model predictions. Using this differential data, we extract the contributions of neutrinos from pion and kaon decays.

研究の動機と目的

• 固定標的に基づく実験や宇宙線粒子物理学実験が未到の領域であったTeVエネルギー範囲におけるミュオンニュートリノのエネルギー依存の電荷現在反応断面積を測定すること。
• LHCにおける陽子-陽子衝突で生成されるミュオンニュートリノおよび反ニュートリノの微分的フラックスを特定すること。
• アンフォールドされたイベント分布を用いて、パイオンおよびカイオンの崩壊に起因するニュートリノの寄与を分離すること。
• 測定された断面積およびフラックスが、新しいエネルギー領域における標準模型の予測と整合しているかを検証すること。
• FASER検出器を用いた高精度測定の可能性を示し、将来の加速器ニュートリノ物理学の基盤を確立すること。

提案手法

• FASER検出器は、ATLAS衝突点から480 m下流に位置し、タングステン板と乳剤フィルムを標的に用い、電子部品でイベントを特定する。
• タイミング、遮断用シンチレーション器における電荷の損失、およびトラッキングスケルプターにおける軌跡再構築を用いてニュートリノイベントを選別し、電荷および運動量の特徴に基づいてバックグラウンドを除外する。
• 尤度に基づくアンフォールディング手法を適用し、検出器の応答および受容率を補正して、観測されたイベントから真のニュートリノエネルギー分布を再構築する。
• 二つの補完的フィットを実施：一つはシミュレーションされたフラックスを用いて断面積を抽出し、もう一つはシミュレーションされた断面積を用いてフラックスを抽出する。両者とも−L/Eνの6つのエネルギー領域で行う。
• 形状の不確実性にガウス的事前分布を用いたχ²フィットを用い、パイオンおよびカイオン崩壊からのニュートリノ寄与の割合を決定する。charmの寄与はシミュレーション値に固定する。
• 統計的および系貫的不確実性を組み込んだ制約付きχ²関数を用いて、フラックスおよび断面積の同時フィットを実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCにおける360 GeVから6.3 TeVのエネルギー範囲で、ミュオンニュートリノのエネルギー依存の電荷現在断面積は何か？
• RQ2 13.6 TeVの陽子-陽子衝突で生成されるミュオンニュートリノおよび反ニュートリノの微分的フラックスは何か？
• RQ3 TeVエネルギー領域におけるニュートリノフラックスにおいて、パイオンおよびカイオン崩壊の寄与はどのように比較されるか？
• RQ4 測定された断面積およびフラックスが、このエネルギー領域における標準模型の予測とどの程度整合しているか？
• RQ5 FASER検出器は、TeVエネルギー範囲における加速器ニュートリノの高精度測定に十分な感度および分解能を有しているか？

主な発見

• 全6つの−L/Eνエネルギー領域において、測定されたミュオンニュートリノの電荷現在断面積は、標準模型の予測と整合しており、顕著なずれは観測されなかった。
• ミュオンニュートリノおよび反ニュートリノの微分的フラックスは、TeV範囲で初めて測定された。特に100–300 GeVエネルギー領域で最大のフラックスが観測され、5.5 ± 1.7 × 10⁶ fb⁻¹ cm²であった。
• アンフォールドされたニュートリノ相互作用数を用いて、パイオン崩壊からの寄与が802.0 ± 131.8イベント、カイオン崩壊からの寄与が326.6 ± 100.9イベントとして抽出され、パイオン寄与が支配的であることが示された。
• 100–300 GeVエネルギー領域における有効断面積は、292.2 ± 17.6 × 10⁻³⁸ cm²/核子として測定され、シミュレーションおよび既存のモデルと整合的であった。
• フラックスおよび断面積測定における系統的不確実性は、ニュートリノ生成および相互作用の形状に関するジェネレータ依存のモデル化に起因する。
• 本結果は、FASER検出器を用いたLHCにおける高精度加速器ニュートリノ物理学の可能性を示しており、高エネルギーニュートリノ相互作用の新しい窓を開いた。