[論文レビュー] First neutrino interaction candidates at the LHC

FASER Collaboration, H. Abreu+74 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 29被引用数 85

ひとこと要約

本論文は、LHCラン2期にかけてATLASの遠方前方領域に設置されたパイロットエミュラッション検出器を用いて、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）で初めてニュートリノ相互作用候補を直接検出したことについて報告している。この実験はFASERνプロジェクトの一環であり、13 TeVの陽子-陽子衝突で12.2 fb⁻¹の積分 luminosity を得て、高エネルギーニュートリノ物理学における画期的な出来事であり、将来のTeVエネルギー域におけるコライダー・ニュートリノ測定の可能性を裏付けた。

ABSTRACT

FASER$ u$ at the CERN Large Hadron Collider (LHC) is designed to directly detect collider neutrinos for the first time and study their cross sections at TeV energies, where no such measurements currently exist. In 2018, a pilot detector employing emulsion films was installed in the far-forward region of ATLAS, 480 m from the interaction point, and collected 12.2 fb$^{-1}$ of proton-proton collision data at a center-of-mass energy of 13 TeV. We describe the analysis of this pilot run data and the observation of the first neutrino interaction candidates at the LHC. This milestone paves the way for high-energy neutrino measurements at current and future colliders.

研究の動機と目的

• TeVエネルギー域でこれまでに測定が存在しないLHCにおいて、初めてコライダー・ニュートリノを直接検出すること。
• 核エミュラッション技術を用いて、ハドロンコライダーの遠方前方領域で高エネルギーニュートリノを検出する可能性を検証すること。
• バックグラウンドレベルの測定と、近い将来に設置予定のフルFASERν検出器用の再構築ツールの開発。
• 加速器ベースのニュートリノ実験（Eν < 360 GeV）と高エネルギー宇宙からの測定（Eν > 6.3 TeV）との間のエネルギーギャップを埋めること、特にミュオンニュートリノに対して。
• FASERνやSND@LHCのような前方検出器が、高エネルギーニュートリノ相互作用を通じて新しい物理を探索する可能性を示すこと。

提案手法

• 101枚の lead 板と120枚の tungsten 板を0.3 mm 厚の核エミュラッションフィルムで交互に積み重ねた29 kgのパイロット検出器を、ATLAS衝突点から480 m下流に設置した。
• 検出器はNA65/DsTau実験の余剰部品を用い、フィルムの配置を保持し、熱的ドリフトを最小限に抑えるために真空パッケージされた。
• LHCラン2期中に4週間のデータ取得が行われ、√s = 13 TeVで12.2 fb⁻¹の積分 luminosity を得た。
• ニュートリノ相互作用は、高分解能スキャンとパターン認識を用いてエミュラッションフィルム内のcharged粒子の軌跡を再構築することで同定された。
• CRMCを用いた前向きハドロン崩壊（パイオンド、カイオン、Dメソン）からのニュートリノ生成のシミュレーションを、EPOS-LHC、QGSJET-II-04、Sibyll 2.3c、DPMJET-IIIを用いて実施し、その後、専用のRivetベースのシミュレーションを用いてビーム光学を通じた伝搬を再現した。
• ミューオンフラックスはFLUKAシミュレーションにより推定され、ビーム軸から1 m × 1 mの領域で、409 m地点でのピークレートは約10⁷個/m²/kiloflatとなった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高出力・高エネルギーのハドロンコライダー環境、例えばLHCにおいて、ニュートリノ相互作用を直接観測できるか？
• RQ2 放射線長が限定的（0.6λint）な前方エミュラッション検出器における、ニュートリノ相互作用のバックグラウンドレベルと検出可能性はいかほどか？
• RQ3 パイロット検出器のデータを用いて、将来の高精度ニュートリノ測定のための再構築ツールを開発・検証できるか？
• RQ4 FASERν設置地点での期待されるニュートリノフラックスと相互作用レートはどの程度で、既存の加速器および宇宙からの測定と比較してどうなるか？
• RQ5 エミュラッションベースの検出器は、高多重度・高バックグラウンド環境において、ニュートリノ相互作用の頂点をどの程度解像できるか？

主な発見

• FASERνパイロット検出器は、LHCで初めてニュートリノ相互作用候補を観測し、直接コライダー・ニュートリノ検出の可能性を確認した。
• 検出器は13 TeVの中心系エネルギーで12.2 fb⁻¹の陽子-陽子衝突データを収集し、不確かさは2%であった。
• パイロット検出器の放射線長はわずか0.6λintであり、フルFASERν検出器の8λintよりも著しく短いが、依然としてニュートリノ相互作用の検出を可能にした。
• 分析により、高分解能エミュラッションフィルムスキャンが、高バックグラウンド環境下でもニュートリノ相互作用に由来するcharged粒子の軌跡を同定できることを示した。
• 観測されたニュートリノ相互作用候補は、前向きハドロン崩壊からのシミュレートされたニュートリノイベントと整合的であり、FASERν用に使用されたシミュレーションフレームワークの妥当性が裏付けられた。
• これらの結果は、未開拓のTeVエネルギー領域におけるニュートリノ断面積を測定する予定の将来のフルFASERν検出器のための重要な基盤を提供した。