[論文レビュー] Letter of Intent for FASER: ForwArd Search ExpeRiment at the LHC

FASER Collaboration, A. Ariga+13 more|arXiv (Cornell University)|Nov 26, 2018

Particle Detector Development and Performance被引用数 41

ひとこと要約

FASER は、ATLAS 衝突からの光で弱結合の長寿命粒子（LLP）を探すため、TI18 の LHC ビーム軸に沿って480 m 離れた小さく安価な検出器を提案。焦点は暗い光子、ALP、CP-オッドスカラー。

ABSTRACT

FASER is a proposed small and inexpensive experiment designed to search for light, weakly-interacting particles at the LHC. Such particles are dominantly produced along the beam collision axis and may be long-lived, traveling hundreds of meters before decaying. To exploit both of these properties, FASER is to be located along the beam collision axis, 480 m downstream from the ATLAS interaction point, in the unused service tunnel TI18. We propose that FASER be installed in TI18 in Long Shutdown 2 in time to collect data from 2021-23 during Run 3 of the 14 TeV LHC. FASER will detect new particles that decay within a cylindrical volume with radius R= 10 cm and length L = 1.5 m. With these small dimensions, FASER will complement the LHC's existing physics program, extending its discovery potential to a host of new particles, including dark photons, axion-like particles, and other CP-odd scalars. A FLUKA simulation and analytical estimates have confirmed that numerous potential backgrounds are highly suppressed at the FASER location, and the first in situ measurements are currently underway. We describe FASER's location and discovery potential, its target signals and backgrounds, the detector's layout and components, and the experiment's preliminary cost estimate, funding, and timeline.

研究の動機と目的

• LHC で光で弱結合の LLP を探索するための、小さく安価な前方検出器の動機づけ。
• ATLAS から約480 m 下流の TI18 に配置を提案し、前方生成と長い寿命を活用。
• 検出器の配置・構成・背景抑制、および Run 3 のデータ取得（2021–2023）に向けた概算コスト/タイムラインの説明。
• 特定のモデル（暗い光子、ALP、CP-odd スカラー）に対する発見ポテンシャルを評価し、他の実験と比較。

提案手法

• IP から 480 m の TI18 に、半径 10 cm、長さ 1.5 m の崩壊体積検出器をビーム軸に沿って配置し、LLP 崩壊産物を分離するために 0.5 T の永久双極磁石を使用。
• 磁場内で、荷電粒子の運動量を測定し、コリメートされた崩壊産物を分離するために、8–10 層のシリコンストリップ・トラッカー系を使用。
• 背景を抑制しトリガーとタイミング情報を提供するため、シンチレーター・ヴォート層と鉛ベースの光子コンバーターを使用。
• 高エネルギー電子と光子を識別するカロリメータ（LHCb ECAL モジュール）を組み込み、光子分離のための高粒度プレショーが可能。
• Geant4 ベースのシミュレーションを実行して信号と背景をモデル化し、ATLAS ACTS フレームワーク内でトラック探索と再構成アルゴリズムを開発。
• 信号効率を推定し、検出展望への選択基準の影響を調査。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Run 3 の 14 TeV, 150 fb^-1 で FASER が探査できる dark photon、ALP、CP-odd scalar のパラメータ空間の領域はどこか。
• RQ2 TI18 位置での背景（荷電μ子による放射過程、ニュートリノ相互作用）はどれだけ抑制可能か、またそれらを検証するデータ駆動法は何か。
• RQ3 崩壊体積内で荷電対または光子への LLP 崩壊を識別する検出器の期待効率はどれくらいか。
• RQ4 磁場、トラッカー間隔、ヴォイト層などの検出器構成が、LLP 崩壊産物の実現可能な運動量分解能・角度分解能にどう影響するか。

主な発見

• 14 TeV、150 fb^-1 の Run 3 において、FASER は暗い光子、ALP、CP-odd スカラーの新しいパラメータ空間領域を探査できる（感度予測に示されるように）。
• 背景は FASER の位置で高度に抑制されると見込まれ、主な考慮事項は μ子関連の放射過程とニュートリノ相互作用で、ヴォイト層と前方ジオメトリにより緩和される。
• 検出器設計は、TeV 程度のエネルギーを持つ LLP 崩壊から、二つの高エネルギー粒子署名（反対符号の二つの軌跡、または二つの光子）を実現し、強力な背景排除を可能にする。
• 検出器設計は、LLP 崩壊産物の軌道分離と運動量測定に十分なトラック分離を提供する。
• 潜在的なアップグレード、FASER 2 (R = 1 m, L = 5 m, HL-LHC で 3 ab^-1) は感度を大幅に拡張し、特に質量が大きい場合に有利。
• 研究は概算コスト見積もり、資金調達の検討、および LHC LS2 中の設置と Run 3 でのデータ収集をターゲットとするタイムラインを提示。