[논문 리뷰] ANUBIS: Proposal to search for long-lived neutral particles in CERN service shafts

Martin Bauer, O. Brandt외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 28.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 18인용 수 31

한 줄 요약

ANUBIS는 CERN의 ATLAS 실험에서 기존의 56미터 깊이의 PX14 서비스 샤프트에 추적기 시설을 설치하여 장수명 중성 입자를 탐지하는 것을 제안한다. 기존 인프라를 활용함으로써, $m_{\text{LLP}} \gtrsim 1$ GeV인 경우 기존 및 향후 계획 중인 실험들(예: MATHUSLA 및 CODEX-b)을 뛰어넘는 2–3개 주기의 수준으로 수명 감도를 향상시켜, 비용의 일부에 불과한 비용으로 $c\tau \sim 10^6$ m까지 감도를 확보한다.

ABSTRACT

Long-lived particles are predicted by many extensions of the Standard Model and have been gaining interest in recent years. In this Letter we present a competitive proposal that substantially extends the sensitivity in lifetime by instrumenting the existing service shafts above the ATLAS or CMS experiments with tracking stations. For scenarios with electrically neutral long-lived particles with $m \gtrsim 1$~GeV, the lifetime reach is increased by 2-3 orders of magnitude compared to currently operating and approved future experiments at the LHC. A detector design proposal is outlined along with projected costs.

연구 동기 및 목표

• 장수명 중성 입자(LLP)에 대한 감도 격차를 메우기 위해 $c\tau > 10^2$ m인 경우, 특히 $m_{\text{LLP}} \gtrsim 1$ GeV인 경우에 초점을 맞춘다.
• CERN의 기존에 조성된, 그러나 잘 활용되지 않는 서비스 샤프트(예: ATLAS PX14)를 활용하여 대용적이고 저비용의 LLP 탐지 시스템을 구현한다.
• 최소한의 지반 공사로 LHC의 감도를 현재의 축측 및 비축측 실험들을 뛰어넘는 수준으로 확장한다.
• LHC Run 3 동안 PX14 샤프트의 하단과 상단에 두 단위의 프로토타입을 제작하여 기계적, 읽기 출력, 배경 문제를 검증함으로써 실현 가능성을 입증한다.
• 기타 흥미로운 힉스 붕괴 및 어둠의 영역 모델을 탐색하기 위한 저비용이고 확장 가능한 솔루션을 제공한다.

제안 방법

• PX14 서비스 샤프트의 18m 지름, 56m 길이에 다수의 추적기 시설을 샤프트 벽에 매달아 설치한다.
• ATLAS 상호작용 지점에서 80m 높이까지 연속적인 프로젝티브 추적 기하학을 적용하여 $c\tau$ 감도를 0에서 $10^6$ m까지 확보한다.
• ATLAS의 기존 인프라 및 트리거 시스템(10 $\mu$s의 Level 0 트리거 지연)을 활용하여 동기화된 데이터 수집을 가능하게 한다.
• 실리콘 스트립 또는 픽셀 검출기를 사용하여 추적기 시설을 구성하며, 비용 절감을 위해 미세한 입자 간격을 가진 스컬린레이터를 대안으로 고려한다.
• 완전한 추적 재구성 및 복합점 이격도 식별 기법을 적용하여 배경를 억제한다.
• 기본 모델로 힉스 보손이 LLP로 붕괴하는 경우($h \to ss$)를 사용하여 감도 예측을 수행하며, $m_s = 5, 10, 40$ GeV로 설정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CERN의 기존에 사용되지 않는 서비스 샤프트를 활용하여 장수명 중성 입자에 대한 경쟁 가능한 감도를 확보할 수 있는가?
• RQ2 PX14 샤프트에 설치된 검출기의 실현 가능한 수명 감도($c\tau$)는 현재 및 향후 계획 중인 LLP 실험들과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 다양한 LLP 질량 및 수명에 대해 ANUBIS의 감도는 MATHUSLA 및 CODEX-b와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 기존 샤프트에 대용적 LLP 검출기를 설치하는 데 필요한 비용과 기술적 실현 가능성은 어떠한가?
• RQ5 배경 수준을 충분히 제어할 수 있을까? 이는 단지 4–50개의 신호 사건만으로도 희귀한 LLP 붕괴를 발견할 수 있도록 보장하는가?

주요 결과

• ANUBIS는 현재 운영 중이거나 승인된 미래 LHC 실험들에 비해 $m_{\text{LLP}} \gtrsim 1$ GeV인 경우 2–3개 주기의 감도 향상을 달성한다.
• $c\tau \lesssim 10$ m인 경우 ANUBIS는 MATHUSLA 실험을 능가하며, $c\tau \gtrsim 1$ m인 경우 ATLAS의 감도를 수십만 배 이상 확장한다.
• 검출기의 총 장착 면적은 2,320 m²로, MATHUSLA의 부피의 약 1%에 불과하지만, 비용 약 10 M€로 유사한 감도를 확보한다.
• 신호 사건 수가 50개로 제한된 보수적인 시나리오에서, $Br(h \to ss)$의 증거 기준 감도는 단지 한 주기 수준으로만 증가한다.
• ATLAS의 외부 무선 스펙트럼기까지의 붕괴 부피를 확장하면($\approx$ 상호작용 지점에서 10m 떨어진 곳), $c\tau \lesssim 100$ m인 경우의 발견 감도가 크게 향상된다.
• LHC Run 3 동안 PX14 샤프트의 하단과 상단에 두 단위의 프로토타입 계획을 수립하여 기계적, 읽기 출력, 배경 문제의 검증이 가능함을 입증하였다.