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

N. Béni, A DiCrescenzo+21 more|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 31被引用数 4

ひとこと要約

XSENは、LHCの廃止されたTI18トンネルに、核乳剤を用いたコンactで低質量のニュートリノ検出器を設置し、0.5–1 TeVエネルギー領域でニュートリノ-核子断面積を初めて測定する。この実験では、τニュートリノを含む測定が可能であり、IP1におけるpp衝突から得られる高エネルギーニュートリノを活用することで、LHC Run 3で約2,000件の相互作用、最大100件のτニュートリノイベントを達成する。これにより、これまで未踏のエネルギー領域における標準模型の高精度な検証が可能となる。

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

• 加速器実験においてこれまで未踏であった0.5–1 TeVエネルギー領域でのニュートリノ-核子断面積を測定すること。
• 第3世代における標準模型の逸脱に感受的なτニュートリノの相互作用を調査すること。
• 本格的データ収集の前段階として、パイロットラン中に機械由来のバックグラウンドを現地で特徴付けること。
• 0.5トンのデモンストレータ検出器を用いて、乳剤解析インfraストラクチャおよびその効率を検証すること。
• 約0.7および1.2 TeVに中心を持つ2つの独立したエネルギー領域で、高精度な断面積測定を達成すること。

提案手法

• TI18トンネルに、核乳剤ブロックで構成される軽量の検出器（約3トン）を設置し、IP1におけるpp衝突から生じる高エネルギーニュートリノを捕らえる。この設置位置は、大スクリーンラピディティ（7.5 < η < 9.5）に位置し、ニュートリノの捕獲効率を高める。
• 大η領域におけるcおよびbの崩壊から生じる自然なニュートリノフラックスを活用し、運動学的配置のおかげでτニュートリノの寄与が増幅される。
• 2021年に0.5トンのデモンストレータ検出器を設置し、約25/fbのデータを用いて、現地でのバックグラウンドを特徴付け、乳剤解析手順のチューニングを実施する。
• 核乳剤を用いて粒子の軌跡追跡および頂点再構築を実施し、ニュートリノ相互作用およびタウレプトンの崩壊を高分解能で検出可能にする。
• サーベイターゲットおよび座標系の整合を用いて、正確なブロック位置決めを実施し、ビームラインからの相互作用頂点の再構築を正確に保証する。
• CERNの専用施設で乳剤の発現およびスキャンを実施し、安全および物流の調整を厳密に管理することで遅延を最小限に抑える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 0.5–1 TeV領域におけるニュートリノ-核子全断面積のエネルギー依存性は何か？ また、標準模型の予測と比較するとどうなるか？
• RQ2 これらの高エネルギー領域におけるτニュートリノ相互作用の全断面積への寄与は何か？ また、標準模型からの逸脱を明らかにできるか？
• RQ3 機械由来のバックグラウンド（例：ミュオン、ハドロン）は、LHCビームライン付近の高レート環境下で、検出効率および純度にどのように影響を与えるか？
• RQ4 低質量で受動的な乳剤検出器は、Run 3において十分なイベント統計と分解能を達成でき、高精度な断面積測定を可能にするか？
• RQ5 乳剤解析における系統的不確実性は何か？ また、パイロット検出器を用いて、現地でのキャリブレーションが可能か？

主な発見

• XSEN検出器は、LHC Run 3で150/fbの統合光度を達成した場合、最大2,000件のニュートリノ相互作用を記録すると予想される。
• この実験は、500 GeVを超えるエネルギー領域で、τニュートリノ断面積の直接測定を初めて実現する100件のτニュートリノイベントを収集することを目的としている。
• 2021年に0.5トンのデモンストレータ検出器を計画しており、25/fbのデータを用いて約1 TeVエネルギーで約100件のニュートリノ相互作用を達成し、現地でのバックグラウンド特徴付けを可能にする。
• 検出器の設計は、TI18トンネルに改造なしで収まり、2人の作業員が8時間以内に設置および乳剤交換が可能である。
• 核乳剤の使用により、短寿命のタウレプトン崩壊を特定する上で不可欠な高分解能のトラッキングおよび頂点再構築が可能となる。
• この実験は、電源やアクティブ部品を一切使用しない設計となっており、LHC運用への干渉を最小限に抑え、受動的かつ安全な設置が保証される。