[論文レビュー] MoEDAL-MAPP, an LHC Dedicated Detector Search Facility

J. L. Pinfold|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

MoEDAL-MAPPは、標準模型を超える高イオン化、弱く相互作用する、および長寿命の粒子を探索するための専用LHC検出器施設を提案している。フェーズ1のアップグレードにより、Run-3およびHL-LHCにおけるミリ電荷を帯びた粒子や長寿命粒子に対するMoEDALの感度が向上する。CERNによって承認されたこのプロジェクトは、IP8から100メートル離れたUA83ギャラリーに新規検出器（MAPP-1）を設置し、100万CHF未満の費用で、新しい物理現象の探索範囲をより高い質量およびより低い断面積へと拡大する。

ABSTRACT

During LHC's Run-2 the MoEDAL experiment, the LHC's first dedicated search experiment, took over 6 fb^-1 of data at IP8, with p-p and Pb-Pb collisions, operating with 100% efficiency. The LHCC has endorsed the LoI of the MoEDAL Collaboration describing an exciting program to expand the search for Highly Ionizing Particles (HIPs) in p-p and heavy-ion collisions to include feebly ionizing and Long Lived Particle (LLP) messengers of new physics (NP) at LHC's RUN-3 and eventually HL-LHC. In 2021, as part of Phase-1 of the program, the baseline MoEDAL detector was approved by CERN for reinstallation for Run-3 with increased efficiency, lower threshold, a factor of 5 increase in instantaneous luminosity, and, a higher Ecm. MoEDAL will continue the search for HIP avatars of NP with an emphasis on the search for massive, single and multiply electrically charged avatars of BSM physics arising from, eg, supersymmetry, neutrino mass models, L-R symmetry, etc. As part of Phase-1 of the MoEDAL-MAPP project CERN also approved in 2021 the installation of the MoEDAL Apparatus for Penetrating Particles (MAPP) in the UA83 tunnel 100m away from IP8. The MAPP detector has sensitivity to feebly-interacting particles with charge, or effective charge, as low as 10^-3e. Additionally, the MAPP detector, in conjunction with MoEDAL's trapping detector, gives us a unique sensitivity to charged LLPs. MAPP also has some sensitivity to neutral LLPs. In Phase-2 of the project we will instal the MAPP-2 upgrade for the HL-LHC. We envisage that this detector will be deployed in the UGC1 gallery near to IP8. This phase of the experiment is designed to ensure that MoEDAL-MAPP's sensitivity to neutral LLP messengers of BSM physics is competitive and complementary to other planned projects in this arena. Initial MoEDAL plans for the MEDICI facility at the 100 TeV FCC-hh machine will also be briefly presented.

研究の動機と目的

• 標準模型を超える高イオン化粒子（HIPS）、弱く相互作用する粒子（FIPs）、および長寿命粒子（LLPs）の探索を通じて、LHCの新物理探査範囲を拡大すること。
• 主たるLHC実験が弱く相互作用するか、または長寿命の新物理候補を最適化していないという限界を補完すること。
• 恒久的な物理的記録を残すトリガー不要でバックグラウンドフリーな検出システムを提供し、発見の信頼性を高めること。
• MAPP-2およびMEDICI施設を含む段階的アップグレードを通じて、将来の高エネルギー衝突型加速器（例：FCC-hh）向けに費用対効果が高くスケーラブルな検出器インfraを構築すること。
• スピン統一モデル、L-R対称モデル、ニュートリノ質量メカニズムなどの新物理モデル、特に高電荷または高質量粒子を介して、超対称性、L-R対称モデル、ニュートリノ質量メカニズムを含む。

提案手法

• Run-3およびHL-LHCの間、IP8から100メートル離れたUA83ギャラリーにMAPP-1検出器を設置し、MoEDALと並行して運用すること。
• 核トラック検出器および核エマルジョンを基盤とするトリガー不要で恒久的に記録を行う検出システムを活用し、まれな長寿命または高イオン化イベントを捉えること。
• より低い検出閾値と5倍のインスタントラス luminosityの向上により、低断面積および高質量粒子に対する感度を向上させること。
• IP8に隣接するUGC1ギャラリーに、将来的なMAPP-2検出器を設計し、長寿命粒子の専用崩壊領域を備える。初期費用見積もりは500万～600万CHF。
• FCC-hhにおける将来のMEDICI施設の概念的設計を開発し、オープンな相互作用ポイントとLLP用の崩壊領域を含む。モノポールを20～30 TeV/c²まで探査可能なNTD「ボール」検出器の可能性も検討。
• 既存のCERNインfraストラクチャおよび共同研究ネットワークを活用し、コストを最小限に抑え、LHC運用および他の実験計画との統合を確実にすること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MoEDAL-MAPPは、プロトン-プロトン衝突および重イオン衝突において、ミリ電荷を帯びた粒子やモノポールなどの長寿命および弱く相互作用する粒子に対して、競争力のある感度を達成できるか？
• RQ2 MAPP-1およびMAPP-2検出器は、主たるLHC実験の能力を超えて、高イオン化粒子および長寿命粒子のLHC探査範囲をどの程度拡大できるか？
• RQ3 質量が大きく、高電荷を帯びた粒子、またはダークセクター・モデルを含む新物理シナリオに対して、費用対効果の高い専用検出器施設（MoEDAL-MAPP）が達成可能な感度はどの程度か？
• RQ4 MoEDAL-MAPPの恒久的な物理的記録と標準模型のバックグラウンドが存在しないという特徴は、新物理発見の信頼性および確認可能性をどの程度向上させるか？
• RQ5 FCC-hhにおける将来のMEDICI施設は、質量が30 TeV/c²までの長寿命粒子およびモノポールを検出可能であるか、その可能性と物理的潜在能力は何か？

主な発見

• MoEDAL-MAPPプロジェクトは、CERNの研究評議会によってフェーズ1が承認され、MAPP-1検出器は現在、IP8から100メートル離れたUA83ギャラリーに設置中である。
• MAPP-1のアップグレードにより、MoEDALのインスタントラス luminosityが5倍に向上し、検出閾値が低下し、長寿命および弱く相互作用する粒子に対する感度が顕著に向上した。
• MoEDAL-MAPPは、主たるLHC実験と高コストの専用プロジェクト（MATHUSLAやSHiP）と比較して、長寿命粒子およびミリ電荷を帯びた粒子に対して競争力があり、補完的な感度を達成している。
• 初期の物理学研究では、LS3（2025–2026年）にU既是にUG1ギャラリーに設置予定のMAPP-2が、主要なベンチマークシナリオにおいてMATHUSLAとMAPP-2の両方の感度と同等の長寿命粒子感度を提供することが示唆されている。
• MAPP-1の費用（人件費を除く）は100万CHF未満であり、LHCの探査可能性を拡大するにあたり、極めて費用対効果の高いアプローチであることが示された。
• FCC-hhにおけるMEDICI施設の初期研究では、NTD「ボール」検出器が20～30 TeV/c²までのモノポールを探査可能であり、ダークスカラーがミュオン対に崩壊する場合、MATHUSLAとMAPP-2の両方の感度と同等の性能を達成できる可能性がある。