[論文レビュー] SND@LHC: The Scattering and Neutrino Detector at the LHC

The SND LHC Collaboration|CERN Document Server (European Organization for Nuclear Research)|Oct 6, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 28

ひとこと要約

SND@LHC は TI18 の下流 480 m に配置されたコンパクトな検出器で、LHC からの前方ニュートリノを測定し、微弱相互作用粒子を探索することを目的としています。LHC Run 3 で約 250 fb^-1 を収集し、全てのフレーバーの約 2,000 の高エネルギーニュートリノ相互作用を観測することを目指します。

ABSTRACT

SND@LHC is a compact and stand-alone experiment designed to perform measurements with neutrinos produced at the LHC in the pseudo-rapidity region of ${7.2 < η< 8.4}$. The experiment is located 480 m downstream of the ATLAS interaction point, in the TI18 tunnel. The detector is composed of a hybrid system based on an 830 kg target made of tungsten plates, interleaved with emulsion and electronic trackers, also acting as an electromagnetic calorimeter, and followed by a hadronic calorimeter and a muon identification system. The detector is able to distinguish interactions of all three neutrino flavours, which allows probing the physics of heavy flavour production at the LHC in the very forward region. This region is of particular interest for future circular colliders and for very high energy astrophysical neutrino experiments. The detector is also able to search for the scattering of Feebly Interacting Particles. In its first phase, the detector will operate throughout LHC Run 3 and collect a total of 250 $ ext{fb}^{-1}$.

研究の動機と目的

• Had-flavour production in the very forward LHC region (7.2 < η < 8.4) using neutrinos from charmed-hadron decays.
• Lepton flavour universality を検証し、ニュートリノ-核相互作用を研究するために、3 つのニュートリノフレーバーを識別する。
• 非常に低い x 付近でのチャーム生成とPDF制約に関する情報を得るため、ニュートリノ相互作用断面積とフラックスを測定する。
• 検出器内での散乱を通じて Feebly Interacting Particles を探索し、補完的なパラメータ空間での感度を評価する。

提案手法

• エマルジョン・タングステン対象と電子的トラッカー・カルオリメトリを組み合わせたハイブリッド検出器設計で、正確な頂点検出とエネルギー測定を実現する。
• IP1 から検出器へ入射する荷電粒子を排除するためのシンチレーターバーによるヴェットシステム。
• SciFi 面を備えたターゲット・トラッカーがタイミングと電磁カルオリメトリを ECCs と組み合わせて提供。
• ミクロン級トラッキングと τ/チャームハドロン頂点再構成のためのエマルジョン・クラウド・チャンバー壁。
• downstream のハドロニックカルオリメトリとミューオン同定システムを備え、イベント全体の再構成とフレーバー識別を実現。
• 約 200 ps の分解能を持つ飛行時間測定能力を用い、Feebly Interacting Particles をニュートリノと区別したり FIP 探索を行う。
• FLUKA を用いたフラックス伝播、DPMJET3 を用いたイベント生成、GENIE を用いたニュートリノ相互作用のモンテカルロ連鎖。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHC pp 衝突で生成される前方ニュートリノ（η が 7.2–8.4）のフレーバー構成とエネルギー分布はどうなるか？
• RQ2 前方ニュートリノ測定は非常に低 x (~1e-6) でのチャーム生成とグルーオンPDFを制約できるか？
• RQ3 ν_e/ν_μ および ν_e/ν_τ 比によって前方ニュートリノ相互作用でレプトン・フレーバー普遍性が維持されるか？
• RQ4 検出器内の散乱を通じた Feebly Interacting Particles の感度はどれくらいか、FIP 探索の感度はどのように補完的なパラメータ空間で評価できるか？

主な発見

• 250 fb^-1 に対してターゲット体積内で約 1700 件の荷電荷ニュートリノ相互作用と約 550 件の中性荷電相互作用が予想され、全体として約 72% が ν_μ、約 23% が ν_e。
• 探査する η 範囲では ν_e と反ν_e は主にチャームハドロンの崩壊起源であり、チャームハドロン生成について統計的不確かさ約 5%、系統的不確かさ約 35% の見積もりとなる。
• ν_e/ν_μ 比はレプトン・フレーバー普遍性の検証を提供し、総不確かさは約 15%（統計 10%、系統 10% の成分が本文に記載）。
• NC/CC 比は内部整合性チェックおよび Weinberg 角の代理指標として機能し、推定統計的不確かさ <5%、 unfolding 後の系統不確かさ ~10%。
• 前方ニュートリノ測定は x ~ 1e-6 のグルオンPDF を探索し、チャーム崩壊由来の高エネルギー大気ニュートリノフラックスの不確かさを低減する。
• SND@LHC は飛行時間・トポロジー/運動エネルギー選択を用いた、ニュートリノと FIP を区別するモデル非依存の Feebly Interacting Particles の直接探索を実施可能。