[論文レビュー] Technical Proposal for FASER: ForwArd Search ExpeRiment at the LHC

FASER Collaboration, A. Ariga+34 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 26被引用数 84

ひとこと要約

この論文は、ATLAS IPからTI12の下流480 mに配置された FASER 実験を提案し、軽量で弱く相互作用する LLP を探索することを説明します。検出器の構成要素、環境、実装計画を含むコストとスケジュールも示します。

ABSTRACT

FASER is a proposed small and inexpensive experiment designed to search for light, weakly-interacting particles during Run 3 of the LHC from 2021-23. Such particles may be produced in large numbers along the beam collision axis, travel for hundreds of meters without interacting, and then decay to standard model particles. To search for such events, FASER will be located 480 m downstream of the ATLAS IP in the unused service tunnel TI12 and be sensitive to particles that decay in a cylindrical volume with radius R=10 cm and length L=1.5 m. FASER will complement the LHC's existing physics program, extending its discovery potential to a host of new, light particles, with potentially far-reaching implications for particle physics and cosmology. This document describes the technical details of the FASER detector components: the magnets, the tracker, the scintillator system, and the calorimeter, as well as the trigger and readout system. The preparatory work that is needed to install and operate the detector, including civil engineering, transport, and integration with various services is also presented. The information presented includes preliminary cost estimates for the detector components and the infrastructure work, as well as a timeline for the design, construction, and installation of the experiment.

研究の動機と目的

• LHC の ATLAS/CMS の能力を超えた軽量で弱く相互作用する粒子の補完的探索を動機づける。
• ATLAS の衝突点から 480 m 離れたビームラインに沿う小型で費用対効果の高い検出器を記述し、 LLP の崩壊を捕捉する。
• 検出器の構成要素（磁石、トラッカー、シンチレーター、カルディレータ）とトリガー/読み出しおよび統合要件を概説する。
• 放射線量・温度・振動などの検出環境と市民工事・インアクションのコ commissioning ニーズを評価する。
• 設計、建設、設置、試運転のための概算コスト見積もりとスケジュールを提供する。

提案手法

• 0.5 T の永磁磁石の崩壊体積と半径 10 cm の検出空間を備えた検出設計を提示し、その後に追跡分光計と電磁カルディレータを配置する。
• FLUKA シミュレーションと TI18/TI12 での実測を用いて粒子フラックスと背景を定量化し、モデルを検証する。
• ビーム構成（交差角、発散角、充填スキーム）が LOS と受容に与える影響を分析する。
• トリガーと読み出し系、データ取得、アライメント/キャリブレーション戦略を記述する。
• 土木工学、設置、統合、安全性、試運転計画を概説する。
• 全体の検出器とインフラの初期コストとスケジューリングを提供する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Run 3 の LHC 条件下で、FASER の軽量で弱く相互作用する粒子（例: ダークフォトン、ダークヒッグス、重中性レプトン、アクシオン様粒子）に対する感度はどれくらいか。
• RQ2 FASER 場所での予想背景率と粒子フラックスはどの程度で、それが信号効率とトリガにどのように影響するか。
• RQ3 LHC のビームパラメータ（交差角、発散、充填スキーム）が LOS、受容、物理探索にどう影響するか。
• RQ4 Long Shutdown 2 期間中に TI12 へ FASER を設置・試運転する現実的な実現性、コスト、タイムラインは。

主な発見

エネルギー閾値 [GeV]	荷電粒子フラックス [cm^-2 s^-1]
10	0.40
100	0.20
1000	0.06

• FLUKA のシミュレーションは Run 3 のルミノシティで FASER を通過する荷電粒子フラックスを約 0.40 cm^-2 s^-1（E>10 GeV）、0.20 cm^-2 s^-1（E>100 GeV）、および 0.06 cm^-2 s^-1（E>1000 GeV）と予測している。
• TI12 の現場エミュレーション測定（主峰）は Flux を（1.9–3.0）×10^4 fb cm^-2 と示し、FLUKA の期待値（E>10 GeV で 2.0×10^4 fb cm^-2）と良好に一致している。
• エミュレーションによって測定された主角度ピーク幅は 2.3 mrad で、高エネルギー粒子が ATLAS IP 方向から入射し、多重散乱が最小であることを示している。
• 放射環境の推定は、年間当たりの線量が 5×10^-3 Gy 未満で、1 MeV中性子当量フルエンスが年間 5×10^7 未満であり、放射耐性を必要としない電子機器と適合する。
• TI12 はトンネル形状と床の掘削により TI18 より長い検出器（約 5 m）を許容し、 LLP 崩壊への感度を高めている。
• TI12 での測定放射線とフラックス測定は、非放射線耐性電子機器と全体の検出設計の実現性を裏付けるシミュレーションと一致している。