[논문 리뷰] FASER: ForwArd Search ExpeRiment at the LHC

FASER Collaboration, A. Ariga외 26명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 11.

Particle Detector Development and Performance인용 수 25

한 줄 요약

FASER는 LHC에서 생성된 장수명, 약하게 상호작용하는 입자(예: 어둠자기광자, 축합입자 유사 입자, 무거운 중성미자 유사 입자 등)를 탐지하기 위해 고체 터널(티아이12/티아이18)에 설치된 작고 저비용의 실험을 제안한다. 이 입자들은 매우 앞쪽 영역에서 생성되어 480m 뒤에서 보이는 입자들로 붕괴된다. 14테바볼트에서의 높은 비탄성 단면적을 활용하여, 최소한의 인프라와 비용으로 희귀하고 낮은 운동량, 장수명 입자에 대해 뛰어난 감도를 확보한다.

ABSTRACT

FASER, the ForwArd Search ExpeRiment, is a proposed experiment dedicated to searching for light, extremely weakly-interacting particles at the LHC. Such particles may be produced in the LHC's high-energy collisions in large numbers in the far-forward region and then travel long distances through concrete and rock without interacting. They may then decay to visible particles in FASER, which is placed 480 m downstream of the ATLAS interaction point. In this work, we describe the FASER program. In its first stage, FASER is an extremely compact and inexpensive detector, sensitive to decays in a cylindrical region of radius R = 10 cm and length L = 1.5 m. FASER is planned to be constructed and installed in Long Shutdown 2 and will collect data during Run 3 of the 14 TeV LHC from 2021-23. If FASER is successful, FASER 2, a much larger successor with roughly R ~ 1 m and L ~ 5 m, could be constructed in Long Shutdown 3 and collect data during the HL-LHC era from 2026-35. FASER and FASER 2 have the potential to discover dark photons, dark Higgs bosons, heavy neutral leptons, axion-like particles, and many other long-lived particles, as well as provide new information about neutrinos, with potentially far-ranging implications for particle physics and cosmology. We describe the current status, anticipated challenges, and discovery prospects of the FASER program.

연구 동기 및 목표

• LHC 충돌의 매우 앞쪽 영역에서 대량으로 생성되는 경량, 약하게 결합된 입자(예: 어둠자기광자, 축합입자 유사 입자 등)를 탐지하기 위해 설계된다.
• 13테바볼트에서 약 75mb의 높은 비탄성 단면적(150fb⁻¹에서 약 1.1×10^16건의 사건)을 활용하여, 희귀하고 장수명인 입자를 충분한 비율로 생성하여 탐지 가능하게 한다.
• ATLAS 충돌점에서 480m 뒤에 위치한 작고 저비용의 검출기를 사용하여 이러한 입자들이 표준모형의 보이는 입자들로 붕괴되는 것을 탐지한다.
• 고운동량 트리거에 의존하는 기존 LHC 탐지 실험들이 놓치는, 낮은 횡운동량, 장수명 서명을 타겟으로 하여 기존 탐지 실험을 보완한다.
• FASER와 FASER 2의 두 단계 프로그램을 통해 스케일러블하게 신물리학의 발견 가능성을 높이며, 어둠물질 후보 및 중성미자 성질 탐지에 기여한다.

제안 방법

• ATLAS 충돌점에서 480m 뒤에 위치한 사용되지 않는 측면 터널(TI12)에, 0.047m³의 붕괴 부피를 가진 작고 컴act한 검출기를 설치하여 장수명 입자의 붕괴를 캡처한다.
• 13테바볼트에서의 높은 비탄성 프로톤-프로톤 단면적(σinel ≈ 75mb)과 메손(예: π⁰: 4.6×10¹⁸, η: 5.0×10¹⁷)의 전방 방향 생성을 활용하여, 잠재적인 새로운 입자들의 큰 유량을 생성한다.
• 비용과 시공 시간을 최소화하기 위해 ATLAS의 여유 장비(SCT 모듈)와 LHCb의 캐로리미터 모듈을 활용한다.
• 이격된 병합점과 저에너지 에너지 손실에 민감한 트리거 시스템을 구현하여, 장수명 입자의 희귀한 붕괴를 탐지하도록 최적화한다.
• 계산 비용을 줄이기 위해 빠른 시뮬레이션 기법과 매개변수화된 쇼어 모델을 사용하며, 주요 LHC 실험 대비 거의 무시할 수 없는 CPU 사용량을 기록한다.
• HL-LHC 시대(2026–2035) 동안 감도를 높이기 위해, 장기 정지 3 기간 동안 FASER 2(R ~ 1m, L ~ 5m, 약 10m³ 부피)를 계획 중이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ATLAS 충돌점에서 480m 뒤에 위치한 작고 저비용의 검출기를 통해, LHC 충돌의 매우 앞쪽 영역에서 생성된 장수명, 약하게 상호작용하는 입자를 탐지할 수 있는가?
• RQ2 어둠자기광자, 축합입자 유사 입자, 무거운 중성미자 유사 입자(메르브-기브레 범위)에 대해 FASER의 발견 가능성이 어떠한가?
• RQ3 14테바볼트 LHC에서의 높은 비탄성 단면적과 메손(예: B, D, π⁰, η)의 전방 생성이 어떻게 경량, 약하게 상호작용하는 입자들의 높은 생성률을 가능하게 하는가?
• RQ4 FASER의 설계와 여유 검출기 부품의 활용이 얼마나 낮은 비용과 짧은 시공 시간으로도 높은 감도를 달성할 수 있는가?
• RQ5 FASER 2, 더 큰 후속 실험(약 10m³ 붕괴 부피)은 HL-LHC 시대에 대해 예상되는 감도 향상과 운영 과제는 어떠한가?

주요 결과

• FASER는 LHC 충돌의 매우 앞쪽 영역에서 생성된 장수명, 약하게 상호작용하는 입자의 붕괴를 탐지하도록 설계되었으며, 붕괴 부피는 단지 0.047m³이며, 크기가 1m × 1m × 5m인 컴act한 구조를 가진다.
• 실험은 LHC 런 3(2021–2023) 동안 데이터를 수집할 것으로 예상되며, 시공 및 설치는 장기 정지 2(2019–2020) 기간 동안 계획되어 있다.
• FASER의 총 시공 비용은 약 800kCHF이며, 약 2MCHF의 민간 자금과 약 300kCHF의 CERN 시설 공사 비용으로 구성되어, 낮은 비용으로도 세계 최고 수준의 물리학 연구를 가능하게 한다.
• 검출기는 여유 ATLAS SCT 모듈과 LHCb 캐로리미터 모듈을 활용하여 비용 절감과 시공 속도 향상을 달성한다.
• FASER 2는 더 큰 후속 실험으로, 약 10m³의 붕괴 부피를 가지며, 장기 정지 3(2024–2026)에 계획되어 있으며, HL-LHC 시대(2026–2035) 동안 운영될 것으로 예상된다. 비용은 FASER 대비 약 5–10배 높을 것으로 추정된다.
• 주요 LHC 실험 대비 계산 및 스토리지 요구량은 거의 없으며, 빠른 시뮬레이션과 낮은 점유율 덕분에 시뮬레이션 및 재구성에 필요한 CPU 시간이 극히 적다.