[논문 리뷰] A Letter of Intent for MATHUSLA: a dedicated displaced vertex detector above ATLAS or CMS

C. Alpigiani, Austin Ball외 62명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 02.

Particle Detector Development and Performance인용 수 5

한 줄 요약

이 의도서는 CERN의 ATLAS 또는 CMS 위에 설치되는 전용 이격된 병합점 검출기인 MATHUSLA를 제안한다. 이 검출기는 저항성 판상 채널(RPCs)과 색소성 히오도스코프를 사용하여 수밀리초 수준의 수명을 가진 중성 장수입자(LLPs)를 탐지한다. 이 검출기는 ATLAS 및 CMS가 다루지 못하는 영역까지의 LLP 탐지 감도를 제공하며, 새로운 물리 현상의 발견 잠재력과 함께 천체선 입자 물리 연구 프로그램을 보완한다.

ABSTRACT

In this Letter of Intent (LOI) we propose the construction of MATHUSLA (MAssive Timing Hodoscope for Ultra-Stable neutraL pArticles), a dedicated large-volume displaced vertex detector for the HL-LHC on the surface above ATLAS or CMS. Such a detector, which can be built using existing technologies with a reasonable budget in time for the HL-LHC upgrade, could search for neutral long-lived particles (LLPs) with up to several orders of magnitude better sensitivity than ATLAS or CMS, while also acting as a cutting-edge cosmic ray telescope at CERN to explore many open questions in cosmic ray and astro-particle physics. We review the physics motivations for MATHUSLA and summarize its LLP reach for several different possible detector geometries, as well as outline the cosmic ray physics program. We present several updated background studies for MATHUSLA, which help inform a first detector-design concept utilizing modular construction with Resistive Plate Chambers (RPCs) as the primary tracking technology. We present first efficiency and reconstruction studies to verify the viability of this design concept, and we explore some aspects of its total cost. We end with a summary of recent progress made on the MATHUSLA test stand, a small-scale demonstrator experiment currently taking data at CERN Point 1, and finish with a short comment on future work.

연구 동기 및 목표

• ATLAS 및 CMS의 트리거 및 배경 제한으로 인해 수명이 긴 중성 장수입자(LLPs)를 탐지할 수 없는 핵심적 격차를 해소하기 위해.
• 특히 RPCs와 색소성 히오도스코프를 사용한 기존 기술을 활용한 비용 효율적이고 모듈식인 검출기 개발을 통해 HL-LHC 업그레이드 일정에 부합하기 위해.
• 은밀한 골목( hidden valley) 및 힉스 포털 시나리오와 같은 벤치마크 모델에서 장수입자(LLPs)의 고감도 탐색을 가능하게 하여 감도 범위를 수 개 주기 수준으로 확장하기 위해.
• CERN Point 1에 초고에너지 천체선과 천체입자 현상을 연구하기 위한 천체선 천체망원경을 구축하기 위해.
• 실제 데이터를 활용해 트리거 및 추적 성능을 검증하기 위해 CERN Point 1에 테스트 스탠드를 구축하여 검출기 개념을 검증하기 위해.

제안 방법

• Argo-YBJ 실험에서 유래한 기술을 응용한 모듈식 구조를 사용하며, 주로 Resistive Plate Chambers(RPCs)를 주요 추적 기술로 사용한다. 이는 ATLAS RPC 가스 혼합물로 스트리머 모드에서 작동하도록 수정된 것이다.
• 상단 및 하단 평면으로 구성된 이중 층의 색소성 히오도스코프 시스템을 도입한다. 빛 수확을 위해 삼각형 기반의 BICRON 404A 색소성 물질과 파장 이동 섬유를 사용한다.
• 이중 수준의 트리거 시스템을 설계한다. 상행 및 하행 입자 트리거는 상단 및 하단 색소성 층 간의 시간 일치성과 시간 비행 보정을 기반으로 한다.
• 표준 VME 기반 상용 전자기기로 데이터 수집을 수행하며, 수신 카드는 RPC 패드 다중성 및 시간 정보를 디지털화한다.
• DØ 실험의 구성 요소와 Argo-YBJ RPCs를 사용하여 CERN Point 1에 테스트 스탠드를 통합함으로써 트리거 논리 및 추적 효율성을 검증한다.
• 배경 연구 및 재구성 시뮬레이션을 수행하여 최종 검출기 기하학적 구조를 결정하고 LLP 신호에 대한 감도를 최적화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모듈식이고 비용 효율적인 이격된 병합점 검출기인 MATHUSLA는 ATLAS 및 CMS의 능력 범위를 크게 초월하여 중성 장수입자(LLPs)의 감도를 크게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 특히 장수중성 입자에 대해 MATHUSLA의 감도는 힉스 포털 및 은밀한 골목 시나리오와 같은 주요 LLP 모델에서 어떻게 되는가?
• RQ3 색소성 히오도스코프와 RPCs를 사용한 제안된 트리거 시스템은 높은 효율성으로 상행 및 하행 입자인 충전입자를 식별하는 데 얼마나 효과적인가?
• RQ4 CERN Point 1의 테스트 스탠드는 실제 빔 조건에서 RPCs 및 색소성 물질의 핵심 구성 요소 성능을 어느 정도 검증할 수 있는가?
• RQ5 MATHUSLA는 초고에너지 천체선과 천체입자 현상을 탐색하기 위한 천체선 망원경으로서의 잠재력을 얼마나 지니는가?

주요 결과

• MATHUSLA 테스트 스탠드는 DØ 색소성 물질과 Argo-YBJ 스타일의 RPCs를 사용하여 트리거 논리 및 추적 성능을 성공적으로 시연하였으며, 실시간 데이터 수집 및 시간 해상도가 검증되었다.
• Argo-YBJ 실험의 RPCs는 ATLAS RPC 가스 혼합물에 15%의 아르곤을 추가함으로써 스트리머 모드에서 작동할 수 있으며, 별도의 가스 시스템이 필요 없어진다.
• 검출기 개념은 장수입자 붕괴에서 발생하는 이격된 병합점 탐지에 높은 효율을 보이며, 수밀리초 수준의 수명까지의 장수입자 감도를 확보한다.
• 배경 연구 결과, 중성 장수입자에 대해 MATHUSLA는 매우 낮거나 영배경을 달성할 수 있으며, 이는 현재 LHC 실험을 초월한 발견 잠재력을 제공한다.
• 기존 기술을 활용한 모듈식 설계는 HL-LHC 일정 내에서 비용 효율적인 구현을 가능하게 하며, 현장에 따라 변동은 있지만 합리적인 비용이 예상된다.
• 테스트 스탠드는 트리거 및 데이터 수집 체인의 전반적인 작동을 성공적으로 시연하였으며, CERN의 Run-2 종료 시점까지 데이터 수집이 이루어졌다.