[論文レビュー] XSEN: a $ν$N Cross Section Measurement using High Energy Neutrinos from pp collisions at the LHC

N. Beni, S. Buontempo+21 more|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

XSENは、LHCの前方領域（7.5 < η < 9.5）に配置された核エマルジョン検出器を用いて、IP1およびIP5での陽子-陽子衝突から生じるニュートリノを用い、TeVスケールのエネルギー領域におけるニュートリノ-核子断面積の高精度測定を提案している。この実験は、約100個のタウニュートリノ反応を収集し、2つのエネルギー領域（0.7および1.2 TeV）で断面積を測定することで、第3世代における標準模型を超える新しい物理を探索する。

ABSTRACT

XSEN (Cross Section of Energetic Neutrinos) is a small experiment designed to study, for the first time, neutrino-nucleon interactions (including the tau flavour) in the 0.5-1 TeV neutrino energy range. The detector will be installed in the decommissioned TI18 tunnel and uses nuclear emulsions. Its simplicity allows construction and installation before the LHC Run 3, 2021-2023; with 150/fb in Run3, the experiment can record up to two thousand neutrino interactions, and up to a hundred tau neutrino events. The XSEN detector intercepts the intense neutrino flux, generated by the LHC beams colliding in IP1, at large pseudo-rapidities, where neutrino energies can exceed the TeV. Since the neutrino-N interaction cross section grows almost linearly with energy, the detector can be light and still collect a considerable sample of neutrino interactions. In our proposal, the detector weighs less than 3 tons. It is lying slightly above the ideal prolongation of the LHC beam from the straight section; this configuration, off the beam axis, although very close to it, enhances the contribution of neutrinos from c and b decays, and consequently of tau neutrinos. The detector fits in the TI18 tunnel without modifications. We plan for a demonstrator experiment in 2021 with a small detector of about 0.5 tons; with 25/fb, nearly a hundred interactions of neutrinos of about 1 TeV can be recorded. The aim of this pilot run is a good in-situ characterisation of the machine-generated backgrounds, an experimental verification of the systematic uncertainties and efficiencies, and a tuning of the emulsion analysis infrastructure and efficiency. This Letter provides an overview of the experiment motivations, location, design constraints, technology choice, and operation.

研究の動機と目的

• 500 GeVを超えるエネルギー領域におけるニュートリノ-核子断面積の測定を、既存の加速器データを上回るように拡張すること。
• WおよびBの崩壊における異常を動機として、高エネルギーのタウニュートリノ反応を通じて第3世代における新しい物理を探索すること。
• パイロットランによる0.5トンのエマルジョン検出器を用いて、機械由来の背景を特徴付け、検出器の性能を検証すること。
• LHC Run3において1.5〜3トンの検出器を用いて、2つのエネルギー領域（0.7および1.2 TeV）で独立した測定を達成すること。
• エマルジョンによるトラッキングと角度再構成を通じて、ニュートリノフラックスおよび背景レベルの正確なイン・サイト補正を可能にすること。

提案手法

• ATLASのIP1に近いTI18の地下洞窟に、鉛層を含む核エマルジョン検出器を前方領域（7.5 < η < 9.5）に設置する。
• エマルジョンを用いて、サブミリメートル級の角度分解能で荷電粒子の軌跡を記録し、IP由来の粒子と局所的背景を区別する。
• 中性子活性化による誤作動を防ぐために、ボレート含有ポリエチレンまたはボロンカーバイドフォームを用いた中性子遮蔽をエマルジョンスタックに設置する。
• 候補地点（例：VN、N、F、VF）でエマルジョンと放射線モニタを用いてイン・サイト背景特徴付けを実施し、Flukaシミュレーションによる検証を実施する。
• 2段階の運用を実施する：第1段階（2019–2021年）はパイロットランおよびインfra構築の調整；第2段階（2022年–LS3）は質量を拡大した全データ収集。
• サーベイターゲットと正確なレンガ配置を用いて、ビームラインからの距離を正確に維持し、断面積再構成を正確に可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 500 GeVを超えるエネルギー領域におけるニュートリノのエネルギー依存的νN断面積、特にタウニュートリノについての値は何か？
• RQ2 LHCにおける高エネルギーのニュートリノ反応は、第3世代における標準模型からのずれを明らかにできるか？
• RQ3 機械由来の背景（ミューオン、ハドロン、中性子）は、前方LHC領域におけるニュートリノ検出にどのように影響を与えるか？
• RQ4 0.7–1.2 TeVの範囲で、エマルジョン検出器がレアなタウニュートリノ反応に対して達成可能な感度は何か？
• RQ5 低侵入的で被動的な検出器システムは、ビーム運用に支障をきたさずに、LHCトンネルに効果的に設置・運用可能か？

主な発見

• この実験は、Run3期間中に約100個のタウニュートリノ反応を収集し、TeVスケールでのνN断面積の直接測定が可能になると想定されている。
• 局所的背景からのバックグラウンドレベルは、ハドロンで約10^6 /cm²、ミューオンで約10^5 /cm²であり、ランダムな軌跡が支配的な10^7 /cm²の等方的背景が存在する。
• IP由来のミューオン軌跡は、θxで約20 mrad、θyで約0 mradの鋭い角度ピークとして特定され、予想されるフラクチャーとエマルジョン応答と整合的である。
• 0.5トンの検出器を用いたパイロットランは、バックグラウンドモデルの妥当性を検証し、エマルジョンスキャン効率の最適化を事前に可能にする見込みである。
• 検出器の設置およびエマルジョン交換は8時間未満で完了可能であり、LHCスケジュールに適合することが保証されている。
• PM15のシャフトおよび冷却ラインの下を通過する（幅80 cm、高さ34 cm）経路が、検出器部品の搬送に対して安全かつ実行可能であることが確認された。