[論文レビュー] Technical Proposal: FASERnu

FASER Collaboration, H. Abreu+70 more|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2020

Particle Detector Development and Performance被引用数 42

ひとこと要約

FASERν は ATLAS IP から 480 m 離れた小規模エマルジョン-タングステン検出器を配置し、TeV エネルギーの collider ニュートリノを検出して、フレーバー特異的なクロスセクションの測定とニュートリノの生成・相互作用の研究を目指します。Run 3 (2021–23) では約 1,300 個の電子ニュートリノ、20,000 個のミューオンニュートリノ、そして 20 個のタウニュートリノ相互作用を期待しており、7 セットの検出器が設置され、エマルジョンの置換はおおよそ 20–50 fb⁻¹ ごとに行われます。

ABSTRACT

FASERnu is a proposed small and inexpensive emulsion detector designed to detect collider neutrinos for the first time and study their properties. FASERnu will be located directly in front of FASER, 480 m from the ATLAS interaction point along the beam collision axis in the unused service tunnel TI12. From 2021-23 during Run 3 of the 14 TeV LHC, roughly 1,300 electron neutrinos, 20,000 muon neutrinos, and 20 tau neutrinos will interact in FASERnu with TeV-scale energies. With the ability to observe these interactions, reconstruct their energies, and distinguish flavors, FASERnu will probe the production, propagation, and interactions of neutrinos at the highest human-made energies ever recorded. The FASERnu detector will be composed of 1000 emulsion layers interleaved with tungsten plates. The total volume of the emulsion and tungsten is 25cm x 25cm x 1.35m, and the tungsten target mass is 1.2 tonnes. From 2021-23, 7 sets of emulsion layers will be installed, with replacement roughly every 20-50 1/fb in planned Technical Stops. In this document, we summarize FASERnu's physics goals and discuss the estimates of neutrino flux and interaction rates. We then describe the FASERnu detector in detail, including plans for assembly, transport, installation, and emulsion replacement, and procedures for emulsion readout and analyzing the data. We close with cost estimates for the detector components and infrastructure work and a timeline for the experiment.

研究の動機と目的

• LHC が生み出す最高エネルギーにおけるニュートリノの産生、伝播、相互作用を探る。
• ν–N 充希計算クロスセクションを ν_e、ν_μ、 ν_τ の TeV スケールで測定する。
• ν_τ イベントとタウニュートリノの相互作用を TeV エネルギーで検出・研究する。
• 加速器・コライダー・宇宙粒子物理学に関連する前方ハドロン生成モデルを制約する。
• 短基線でのストレートニュートリノ振動の可能性を探る。

提案手法

• tungsten と交互に配置した 1000 枚のエマルジョン層を設置し、25 cm × 25 cm × 1.35 m の体積内に 1.2 トンのタングステンターゲットを形成する。
• 検出器を TI12 に配置し、FASER の正面、ATLAS IP から 480 m、ビーム衝突軸に沿って設置する。
• 2021–2023 の間に 7 セットのエマルジョン-タングステン検出器を設置し、データ ~20–50 fb⁻¹ ごとに置換する。
• エマルジョンフィルムの開発と読み出しを行い、事象を再構成してニュートリノエネルギーを測定し、フレーバーを識別する。
• オプションで FASER とのインターフェース検出器を追加し、ν_μ および 0̄_μ イベントを分離して、信号/背景識別を改善する。
• フラックス、背景、および事象レートを推定するための詳細なシミュレーションと現場計測を提供する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TeV-energy の ν–nucleon 充希クロスセクションは ν_e、ν_μ、 ν_τ に対してどうなるか？
• RQ2 collider-forward ニュートリノをエマルジョン検出器でフレーバータグ付けし、エネルギーを再構成できるか？
• RQ3 タウニュートリノの相互作用率と TeV エネルギーで ν_τ イベントを識別する能力はどの程度か？
• RQ4 前方ハドロン生成モデルは LHC におけるニュートリノフラックス予測にどう影響するか？
• RQ5 TeV-energy ニュートリノビームを用いた短基線でストレートニュートリノ振動への感度はあるか？

主な発見

• Run 3 における FASERν の推定ニュートリノ相互作用: 約 1,300 個の ν_e、約 20,000 個の ν_μ、約 20 個の ν_τ。
• 検出器は 1000 枚のエマルジョン層とタングステンから成り、25 cm × 25 cm × 1.35 m の体積内に 1.2 トンのタングステンターゲットを生み出す。
• Run 3 期間中、7 セットのエマルジョンが設置され、置換は約 20–50 fb⁻¹ ごと。
• Run 3 の計画により、既存データが制約していないエネルギー領域で ν–nucleon CC クロスセクションを測定できる。
• 約 13 の ν_τ CC 相互作用を観測する可能性と、TeV エネルギーで τ の生成・崩壊トポロジーを研究できる。
• FASER とのインターフェース検出器は ν_μ と 0̄_μ イベントを区別でき、フレーバー分離と背景削減を改善する可能性がある。