[논문 리뷰] An Update to the Letter of Intent for MATHUSLA: Search for Long-Lived Particles at the HL-LHC

C. Alpigiani, J. C. Arteaga-Velázquez외 81명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 03.

Particle Detector Development and Performance인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 HL-LHC에서 장수명 입자(LLP)를 탐색하기 위한 MATHUSLA 검출기 설계를 업데이트한다. 100 m × 100 m, 높이 25 m인 검출기는 CMS 상호작용점 근처에서 지하 20 m 깊이에 위치한다. 새로운 설계는 이전의 200 m × 200 m 설계와 동일한 물리적 탐색 능력을 유지하면서도, 상호작용점에 더 가까워져 짧은 cτ를 가진 LLP에 대해 향상된 감도를 확보한다. 이는 외부 파장 이동 섬유와 실리콘 광다이오드를 사용한 프로파일링된 스캐빈저 바를 활용하여 저전압, 온실가스 없는 작동이 가능하고 비용 절감이 이루어진다.

ABSTRACT

We report on recent progress in the design of the proposed MATHUSLA Long Lived Particle (LLP) detector for the HL-LHC, updating the information in the original Letter of Intent (LoI), see CDS:LHCC-I-031, arXiv:1811.00927. A suitable site has been identified at LHC Point 5 that is closer to the CMS Interaction Point (IP) than assumed in the LoI. The decay volume has been increased from 20 m to 25 m in height. Engineering studies have been made in order to locate much of the decay volume below ground, bringing the detector even closer to the IP. With these changes, a 100 m x 100 m detector has the same physics reach for large c$τ$ as the 200 m x 200 m detector described in the LoI and other studies. The performance for small c$τ$ is improved because of the proximity to the IP. Detector technology has also evolved while retaining the strip-like sensor geometry in Resistive Plate Chambers (RPC) described in the LoI. The present design uses extruded scintillator bars read out using wavelength shifting fibers and silicon photomultipliers (SiPM). Operations will be simpler and more robust with much lower operating voltages and without the use of greenhouse gases. Manufacturing is straightforward and should result in cost savings. Understanding of backgrounds has also significantly advanced, thanks to new simulation studies and measurements taken at the MATHUSLA test stand operating above ATLAS in 2018. We discuss next steps for the MATHUSLA collaboration, and identify areas where new members can make particularly important contributions.

연구 동기 및 목표

• 장수명 입자(LLP) 탐색의 감도를 향상시키기 위해 MATHUSLA 검출기 설계를 변위된 비틀림점 복원 최적화를 통해 HL-LHC에서의 성능을 향상시키는 것.
• 기존의 RPC를 프로파일링된 스캐빈저 바에 외부 파장 이동 섬유와 실리콘 광다이오드(SiPM)로 읽는 방식으로 대체하여 제작 비용 절감과 작동 신뢰성 향상을 도모하는 것.
• CMS 상호작용점에 더 가까이 위치시켜 지하 터널을 조성함으로써, 작은 진동 길이(cτ)를 가진 LLP에 대한 물리적 탐색 능력을 향상시키는 것.
• 대기 및 LHC에서 생성된 중성자에 의한 배경를 효과적으로 억제하기 위한 전략을 검증하기 위해 세밀한 시뮬레이션과 시험 장치 측정을 수행하는 것.
• 확장된 대기 샤워 및 페브스케일의 간섭 입자 측정을 위한 대규모 다각형 추적 시스템을 활용한 MATHUSLA의 천체선 연구 프로그램을 구축하는 것.

제안 방법

• 검출기는 LHC Point 5에 위치한 CMS 상호작용점 근처에서 지하 20m 깊이에 위치한 100 m × 100 m, 높이 25 m의 구조로 재설계되어 배경 감소와 상호작용점에의 접근성 향상을 도모한다.
• 추적 시스템은 외부 파장 이동 섬유와 실리콘 광다이오드(SiPM)로 읽는 프로파일링된 스캐빈저 바를 사용하여 저전압, 온실가스 없는 작동이 가능하다.
• 배경 연구는 대기 중성자 상호작용과 LHC에서 생성된 중성자에 대한 상세한 시뮬레이션을 통해 수행되며, GENIE v2.12.10를 사용하여 최소-편향 충돌에서 발생하는 LHC 중성자를 모델링한다.
• 중성자 유량은 Fréjus 실험 측정치를 기반으로 하며, MATHUSLA 검출기 부피에 도달하는 예상 유량에 맞게 재가중된다.
• 운동학적 절단 조건을 통해 두 개의 트랙이 β > 0.8를 만족하고 상호작용점으로 되돌아오는 비틀림점을 복원하도록 하여 배경 억제를 강화한다.
• 우주선 과학을 위한 향상된 확장된 대기 샤워 핵의 복원 성능을 확보하기 위해 하이브리드 디지털/아날로그 RPC 층의 잠재적 업그레이드를 평가 중이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 더 작은, 지하에 위치한 MATHUSLA 검출기가 원래의 200 m × 200 m 설계와 동일한 물리적 탐색 능력을 확보할 수 있는가?
• RQ2 향상된 검출기 접근성과 기하학적 구조는 작은 진동 길이(cτ)를 가진 LLP에 대한 감도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 새로운 MATHUSLA 구성에서 대기 및 LHC에서 생성된 중성자 배경의 기대 발생률은 얼마이며, 효과적으로 억제될 수 있는가?
• RQ4 SiPM로 읽는 프로파일링된 스캐빈저 바의 사용은 기존 RPC 대비 제작 비용 절감과 작동 신뢰성 향상에 기여하는가?
• RQ5 MATHUSLA는 얼마나 높은 정밀도로 확장된 대기 샤워 및 페브스케일 입자 연구를 위한 천체선 관측소로 활용될 수 있는가?

주요 결과

• LHC Point 5에서 지하 20m에 위치한 100 m × 100 m, 높이 25 m의 MATHUSLA 검출기는 원래의 200 m × 200 m 설계와 동일한 큰 cτ를 가진 LLP에 대한 물리적 탐색 능력을 확보한다.
• 새로운 위치로 인한 CMS 상호작용점에의 가까움으로 인해, 변위된 비틀림점 복원 효율성이 향상되어 작은 cτ를 가진 LLP에 대한 감도가 향상된다.
• 대기 중성자 배경은 MATHUSLA100 부피 내에서 연간 약 30건으로 추정되며, 두 트랙의 β > 0.8 절단 조건을 적용하면 연간 1건 이하로 감소시킬 수 있다.
• LHC에서 생성된 중성자 배경은 통합 루미너스티 3000 fb⁻¹ 범위에서 약 0.52건 이하로 매우 낮게 예측되며, 동일한 운동학적 절단 조건을 적용하면 약 0.01건으로 감소된다.
• 프로파일링된 스캐빈저 바와 SiPM를 사용한 새로운 검출기 기술은 더 낮은 작동 전압을 가능하게 하며 온실가스 사용을 제거하고 제조를 단순화하여 비용 절감 효과를 낳는다.
• 확장된 대기 샤워 핵의 복원 성능 향상을 위해 하이브리드 디지털/아날로그 RPC 층의 잠재적 업그레이드가 검토 중이며, 이는 천체선 과학 분야에서 확실한 물리적 성과를 보장할 수 있다.