[논문 리뷰] A Heavy Metal Path to New Physics

Marco Drewes, A. Giammanco외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

논문은 LHC에서의 고에너지 이온 충돌이 이심 꼬리(비틀린) 꼬리가 있는 뉴트리노와 같은 새로운 물리 현상을 탐지하기 위한 더 나은 환경임을 제안한다. 이는 순간적 루미노시티가 낮아져 더 느슨한 트리거 조건을 허용하고, 중첩 충돌의 감소로 장수 입자 탐지에 대한 민감도가 향상되기 때문이다. 이는 뉴트리노 최소 표준모형 내의 무거운 뉴트리노에 대해, 양성자-양성자 충돌보다 단위 시간당 더 높은 민감도를 제공할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

We show that heavy ion collisions at the LHC provide a promising environment to search for signatures with displaced vertices in well-motivated New Physics scenarios. The lower instantaneous luminosity in heavy ion collisions allows to operate the LHC experiments with very loose triggers. For scenarios in which long-lived particles are produced in the decay of light particles, this can increase the number of observable events by several orders of magnitude. If ions lighter than Pb are used, as it is currently discussed in the heavy ion community for unrelated reasons, this can lead to a higher sensitivity per time of running than in pp collisions. We illustrate that explicitly for heavy neutrinos in the Neutrino Minimal Standard Model. Another advantage of heavy ion collisions is the fact that there is no pile up, i.e., the average number of simultaneous interactions per bunch crossing is well below unity. This entirely removes the problem of mis-identifying the location of the primary vertex, which may be the key to trespass the systematics wall due to background uncertainties in the cases where background contamination mostly comes from SM particles that originate from different parts of the interaction region. This provides strong motivation to further explore the possibility to search for New Physics in heavy ion collisions.

연구 동기 및 목표

• LHC에서의 고에너지 이온 충돌이 이심 꼬리가 있는 뉴트리노 물리 현상을 탐지하는 데 잠재력을 지녔는지 탐색하기.
• 특히 양성자-양성자 충돌에서 중첩 충돌으로 인한 잘못된 주초점 꼬리 식별으로 인한 배경 불확실성 문제를 해결하기.
• 고에너지 이온 충돌에서 낮은 순간적 루미노시티가 더 느슨한 트리거를 허용하여 장수 입자에 대한 관측 가능한 사건 수를 크게 증가시킴을 보여주기.
• _lead를 초과하는 더 가벼운 이온을 사용할 경우, 양성자-양성자 충돌 대비 단위 시간당 민감도가 더욱 향상됨을 보여주기.
• 고에너지 이온 충돌에서 중첩 충돌이 없어 배경 오염에 의한 체계적 오차를 줄이는 데 핵심적인 이점이 있음을 강조하기.

제안 방법

• 고에너지 이온 충돌에서 낮은 순간적 루미노시티를 활용해 매우 느슨한 트리거 임계값을 적용함으로써 이심 꼬리가 있는 사건의 수용률을 높이기.
• 고에너지 이온 환경 내에서 장수 입자(예: 뉴트리노 최소 표준모형 내의 무거운 뉴트리노)의 생성과 붕괴를 모델링하기.
• 평균 1개 이하의 상호작용이 있는 충돌 당 중첩 충돌 감소가 꼬리 재구성 정확도와 배경 억제에 미치는 영향 시뮬레이션하기.
• 단위 시간당 관측 가능한 사건 수를 평가하여 고에너지 이온 충돌과 양성자-양성자 충돌 간 민감도 비교하기.
• 고에너지 이온 충돌에서 깔끔한 상호작용 환경과 정확한 주초점 꼬리 식별 덕분에 신호 대 배경 비율 향상 평가하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC에서의 고에너지 이온 충돌이 양성자-양성자 충돌 대비 장수 입자에 대한 이심 꼬리 탐지 가능성을 크게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 고에너지 이온 충돌에서 중첩 충돌 감소가 잘못된 주초점 꼬리 식별으로 인한 체계적 오차를 어느 정도 완화하는가?
• RQ3 Lead를 초과하는 더 가벼운 이온을 사용할 경우, 이심 꼬리 탐지에서 뉴트리노 물리 신호에 대한 민감도는 어떻게 변화하는가?
• RQ4 고에너지 이온 충돌에서 더 느슨한 트리거가 장수 입자에 대한 관측 가능한 사건 수에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 뉴트리노 최소 표준모형이 고에너지 이온 충돌이 뉴트리노 물리 탐색에서 가지는 이점을 입증하는 구체적 기준점으로 기능할 수 있는가?

주요 결과

• 고에너지 이온 충돌에서 낮은 순간적 루미노시티 덕분에 매우 느슨한 트리거를 사용할 수 있어, 장수 입자에 대한 관측 가능한 사건 수가 수십만 배 이상 증가한다.
• 고에너지 이온 충돌에서 중첩 충돌이 없어, 양성자-양성자 충돌에서 주요 배경 불확실성 원인이 되는 주초점 꼬리 오식별 문제를 완전히 제거한다.
• 뉴트리노 최소 표준모형 내의 무거운 뉴트리노에 대해 고에너지 이온 충돌은 양성자-양성자 충돌보다 단위 시간당 더 높은 민감도를 달성할 수 있다.
• 현재 고에너지 이온 공동체에서 논의 중인 lead를 초과하는 더 가벼운 이온을 사용할 경우, Pb-Pb 충돌 대비 단위 시간당 민감도가 더욱 향상된다.
• 고에너지 이온 충돌의 깔끔한 환경 덕분에 상호작용 영역의 다른 부분에서 유래한 표준모형 입자에 의한 배경 오염이 크게 감소한다.