[논문 리뷰] Letter of Intent for FASER: ForwArd Search ExpeRiment at the LHC

FASER Collaboration, A. Ariga외 13명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 26.

Particle Detector Development and Performance인용 수 41

한 줄 요약

FASER는 ATLAS 충돌에서 나온 빛고 약하게 결합된 수명 긴 입자(LLP)를 찾기 위해 TI18의 LHC 빔 축을 따라 480 m 떨어진 곳에 작고 저렴한 검출기를 제안한다. 초점은 다크 포톤, ALP, CP-odd 스칼라.

ABSTRACT

FASER is a proposed small and inexpensive experiment designed to search for light, weakly-interacting particles at the LHC. Such particles are dominantly produced along the beam collision axis and may be long-lived, traveling hundreds of meters before decaying. To exploit both of these properties, FASER is to be located along the beam collision axis, 480 m downstream from the ATLAS interaction point, in the unused service tunnel TI18. We propose that FASER be installed in TI18 in Long Shutdown 2 in time to collect data from 2021-23 during Run 3 of the 14 TeV LHC. FASER will detect new particles that decay within a cylindrical volume with radius R= 10 cm and length L = 1.5 m. With these small dimensions, FASER will complement the LHC's existing physics program, extending its discovery potential to a host of new particles, including dark photons, axion-like particles, and other CP-odd scalars. A FLUKA simulation and analytical estimates have confirmed that numerous potential backgrounds are highly suppressed at the FASER location, and the first in situ measurements are currently underway. We describe FASER's location and discovery potential, its target signals and backgrounds, the detector's layout and components, and the experiment's preliminary cost estimate, funding, and timeline.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 빛고 약하게 결합된 LLP를 탐색하기 위해 작고 경제적인 전방 검출기를 동기 부여한다.
• ATLAS에서 480 m 하류에 TI18에 배치를 제안하여 전방생산과 긴 수명을 활용한다.
• 감지기 레이아웃, 구성 요소, 백그라운드 억제, 그리고 Run 3 데이터 취득(2021–2023)에 대한 예비 비용/일정 설명.
• 특정 모델들(다크 포톤, ALP, CP-odd 스칼라)에 대한 발견 가능성을 평가하고 다른 실험과의 비교.

제안 방법

• IP로부터 480 m 떨어진 TI18 빔 축을 따라 반지름 10 cm, 길이 1.5 m인 감쇠 부피 검출기를 위치시키고 LLP 붕괴생성물을 분리하기 위해 0.5 T 영구 편 dipole 자석을 사용한다.
• 전하 입자의 운동량을 측정하고 좁혀진 붕괴생성물을 분리하기 위해 자기장 내에 8–10개의 실리콘 스트립 층으로 구성된 트래커 시스템을 활용한다.
• 스캔티레이터 베이토 층과 납 기반 포토 컨버터를 사용해 백그라운드를 억제하고 트리거링과 타이밍 정보를 제공한다.
• 고에너지 전자와 광자를 식별하기 위해 칼로리메터(LHCb ECAL 모듈)를 도입하고 광자 구분을 위한 고해상도 프리샤워를 도입할 수 있다.
• 신호 및 배경을 모델링하기 위해 Geant4 기반 시뮬레이션을 실행하고 ATLAS ACTS 프레임워크 내에서 트랙 찾기 및 재구성 알고리즘을 개발한다.
• 신호 효율을 추정하고 탐지 전망에 대한 선택 기준의 영향을 연구한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Run 3에서 14 TeV, 150 fb^-1로 FASER가 탐사할 수 있는 다크 포톤, ALP, CP-odd 스칼라의 매개변수 공간의 어느 영역인가?
• RQ2 TI18 위치에서 배경(μon 유도 방사 과정, 중성미자 상호작용)은 얼마나 잘 억제될 수 있으며, 이를 검증하는 데이터 기반 방법은 무엇인가?
• RQ3 감쇠 부피 내에서 LLP가 전하 짝이나 광자로의 붕괴되는 것을 식별하는 검출기의 기대 효율은?
• RQ4 자석장, 트래커 간격, 베이트 층 등 검출기 구성은 LLP 붕괴 생성물의 측정 가능한 운동량 및 각도 해상도에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• Run 3에서 14 TeV로 150 fb^-1를 통해 FASER는 다크 포톤, ALP, CP-odd 스칼라의 매개변수 공간의 새로운 영역을 탐색할 수 있다(감도 예측에 그림처럼).
• FASER 위치에서 배경은 매우 억제될 것으로 예상되며, 뮤온 관련 방사 과정과 중성미자 상호작용이 주요 고려 사항이고 베이트 층과 전방 기하학으로 완화된다.
• 검출기 설계는 TeV 규모의 에너지를 갖는 LLP 붕괴에서 두 개의 고에너지 입자 신호(두 반대 부호의 트랙 또는 두 광자)를 달성하여 강한 배경 제거를 가능하게 한다.
• R = 10 cm, L = 1.5 m인 소형 decay volume과 0.5 T 자석 및 정밀 실리콘 트래킹을 결합하여 LLP 붕괴 생성물에 대한 충분한 트랙 분리와 운동량 측정을 제공한다.
• 잠재적 업그레이드인 FASER 2(R = 1 m, L = 5 m, HL-LHC에서 3 ab^-1로 운용)는 특히 더 큰 질량에 대한 민감도를 크게 확장할 것이다.
• 연구는 예비 비용 추정치, 자금 조달 고려사항 및 LHC LS2 기간 설치와 Run 3의 데이터 수집을 목표로 한 일정표를 제시한다.