[論文レビュー] The CMS Precision Proton Spectrometer at the HL-LHC -- Expression of Interest

CMS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Mar 3, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 13

ひとこと要約

本論文は、ハイ・リタリティティ・LHC（HL-LHC）のCMS実験における新しいニアビームプロトンスぺクトラメータを提案する。196、220、234、420 mのインタラクションポイントからの可動型ローマンポット検出器を用い、中央排他的生成（CEP）イベントからのプロトンの高精度測定を可能にする。このシステムにより、ヒッグスボソン質量範囲が43–2.7 TeVに拡張され、現在のPPS能力比で10倍のデータ量が得られることで、新しい物理現象の探索が可能になる。

ABSTRACT

The CMS Collaboration intends to pursue the study of central exclusive production (CEP) events, pp $ o$ pXp, at the High-Luminosity LHC (HL-LHC) by means of a new near-beam proton spectrometer. In CEP events, the state X is produced at central rapidities, and the scattered protons do not leave the beam pipe. The kinematics of X can be fully reconstructed from that of the protons, which gives access to final states otherwise not visible. CEP allows unique sensitivity to physics beyond the standard model, e.g. in the search for anomalous quartic gauge couplings, axion-like particles, and in general new resonances. CMS has been successfully operating the Precision Proton Spectrometer (PPS), initially a joint CMS and TOTEM project, since 2016. The present document outlines the physics interest of a new PPS at the HL-LHC, and explores its feasibility and expected performance. Discussions with the machine groups led to the identification of four locations suitable for the installation of movable proton detectors: at 196, 220, 234, and 420 m from the interaction point, on both sides. Acceptance studies indicate that having the beams cross in the vertical plane at the interaction point, as implemented after Long Shutdown 3, is preferable over the present horizontal crossing. This gives access to states X in the mass range 133 GeV$-$2.7 TeV with the stations at 196, 220, and 234 m. The lower mass limit becomes 43 GeV if the 420 m station is included, which makes it possible to study central exclusive production of the 125 GeV Higgs boson. This is a major improvement with respect to the current mass range of 350 GeV$-$2 TeV. The project and its costs can easily be staged; the 420 m station can be addressed in a second step. In summary, a new near-beam proton spectrometer for operation at the HL-LHC appears feasible. It would greatly extend the CMS physics reach with a limited investment.

研究の動機と目的

• HL-LHCにおける中央排他的生成（CEP）イベントからのプロトンの高精度測定を可能にし、通常は観測できない最終状態にアクセスする。
• 現在の350 GeV–2 TeVの範囲を超えて、axion-like粒子、異常な四次ゲージ結合、および新しい共鳴状態の探索のための質量探査範囲を拡大する。
• HL-LHC環境における放射線損傷とピルアップの課題を、高度な検出器設計とリモートキャリブレーション戦略により克服する。
• 放射線遮蔽を実現する垂直シフトとタイムベースのバーテックス再構成を組み合わせた可動検出器システムを統合し、長期的な性能を確保する。
• 既存のフェーズ2アップグレード（中央ピクセルおよびタイムイングシステム）と連携し、コスト効率的で段階的な前向きプロトンスぺクトラメータの展開を実現する。

提案手法

• インタラクションポイントからの196、220、234、420 mの4か所に可動型ローマンポット（XRP）検出器を設置。温帯部では既存のXRP技術を、420 mの寒冷部では改造されたクライオスタットを採用する。
• ダイヤモンド検出器、3次元ピクセル、または平面シリコンセンサーを用いた二重層トラッキングおよび飛行時間測定システムを実装し、50–60 psの時間分解能を達成することで、縦方向のバーテックス位置を測定し、プロトンの軌道を再構成する。
• 放射線損傷を軽減するために、リモート制御による垂直移動システム（20 fb⁻¹ごとに0.5 mmシフト）を採用し、照射ピークを検出器表面全体に分散させる。
• Run 1およびRun 2の経験と既存のPPSインfraストラクチャを活用し、中央ピクセルシステムおよび前向きMIPタイムイング検出器の開発と連携することで、技術的連携を実現する。
• 特別なキャリブレーションフィルとビームベースのアライメント技術を用いて、ビームオプティクスのキャリブレーションとアライメント手順を実施し、0.5 mm未満の精度を維持する。
• 機械保護システム（例：BIS、BLM）と統合し、機械的設計とシールドの注意深い設計により、インピーダンスとビームハローの低減を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HL-LHCにおける新しいプロトンスぺクトラメータを用いた中央排他的生成（CEP）イベントの実現可能な質量範囲は何か？
• RQ2 ハイ・リタリティティティ・LHC環境下で動作する前向きプロトン検出器における放射線損傷は、どのように軽減できるか？
• RQ3 CEP物理学における運動量受容域と再構成分解能を最大化するための最適な検出器設置位置と技術は何か？
• RQ4 HL-LHCで予想される高いピルアップ（μ ≈ 200）に対応するため、時間分解能とトラッキング分解能をどのように最適化できるか？
• RQ5 ビームパイプ付近の複数の位置に段階的に設置可能な可動型プロトンスぺクトラメータシステムを展開する際のコストと実現可能性は何か？

主な発見

• 420 mステーションを含めることで、CEPの測定可能な質量範囲が43–2.7 TeVに拡張され、125 GeVの中央排他的ヒッグスボソン生成の直接的かつ初の研究が可能になる。
• 196、220、234 mステーションのみで133 GeV–2.7 TeVの質量範囲が得られ、現在の350 GeV–2 TeVの範囲に比べ顕著な改善が達成される。
• 20 fb⁻¹ごとに0.5 mmずつ垂直シフトを行うことで、放射線損傷の軽減が十分に達成され、照射ピークが検出器表面全体に分散される。
• 50–60 psの時間分解能は、高ピルアップ条件下でもバーテックス再構成に十分であり、相互作用の正確な分離が可能になる。
• 196、220、234 mステーションのコストは1–2 MCHF程度と推定され、420 mステーションはさらなるコスト分析を要するが、段階的展開が可能になる。
• LS3後の垂直ビームクロスイングが、最適な受容域を実現するために不可欠であり、ヒッグス質量領域の完全カバーが可能になる。