[논문 리뷰] MoEDAL-MAPP, an LHC Dedicated Detector Search Facility

J. L. Pinfold|arXiv (Cornell University)|2022. 09. 08.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

MoEDAL-MAPP는 표준모형을 초월한 고이온화, 미세하게 상호작용하는, 그리고 장수명 입자를 탐색하기 위해 전용 LHC 검출기 시설을 제안한다. 1단계 개선 사양은 런-3 및 HL-LHC 기간 동안 MoEDAL의 밀리전하 입자와 장수명 입자 감지 민감도를 향상시킨다. 이 프로젝트는 CERN에서 승인받았으며, UA83 갤러리에 위치한 새로운 검출기(MAPP-1)를 갖추며, 비용은 100만 CHF 이하이며, LHC의 새로운 물리 현상 탐지 가능 범위를 더 높은 질량과 더 낮은 단면적까지 확장한다.

ABSTRACT

During LHC's Run-2 the MoEDAL experiment, the LHC's first dedicated search experiment, took over 6 fb^-1 of data at IP8, with p-p and Pb-Pb collisions, operating with 100% efficiency. The LHCC has endorsed the LoI of the MoEDAL Collaboration describing an exciting program to expand the search for Highly Ionizing Particles (HIPs) in p-p and heavy-ion collisions to include feebly ionizing and Long Lived Particle (LLP) messengers of new physics (NP) at LHC's RUN-3 and eventually HL-LHC. In 2021, as part of Phase-1 of the program, the baseline MoEDAL detector was approved by CERN for reinstallation for Run-3 with increased efficiency, lower threshold, a factor of 5 increase in instantaneous luminosity, and, a higher Ecm. MoEDAL will continue the search for HIP avatars of NP with an emphasis on the search for massive, single and multiply electrically charged avatars of BSM physics arising from, eg, supersymmetry, neutrino mass models, L-R symmetry, etc. As part of Phase-1 of the MoEDAL-MAPP project CERN also approved in 2021 the installation of the MoEDAL Apparatus for Penetrating Particles (MAPP) in the UA83 tunnel 100m away from IP8. The MAPP detector has sensitivity to feebly-interacting particles with charge, or effective charge, as low as 10^-3e. Additionally, the MAPP detector, in conjunction with MoEDAL's trapping detector, gives us a unique sensitivity to charged LLPs. MAPP also has some sensitivity to neutral LLPs. In Phase-2 of the project we will instal the MAPP-2 upgrade for the HL-LHC. We envisage that this detector will be deployed in the UGC1 gallery near to IP8. This phase of the experiment is designed to ensure that MoEDAL-MAPP's sensitivity to neutral LLP messengers of BSM physics is competitive and complementary to other planned projects in this arena. Initial MoEDAL plans for the MEDICI facility at the 100 TeV FCC-hh machine will also be briefly presented.

연구 동기 및 목표

• 표준모형을 초월한 고이온화 입자(HIPS), 미세하게 상호작용하는 입자(FIPs), 장수명 입자(LLPs), 특히 밀리전하 입자와 단극자들을 탐색하여 LHC의 표준모형을 초월한 탐지 가능 범위를 확장한다.
• 주요 LHC 실험들이 약한 상호작용이나 장수명 신물리 후보 입자를 탐지하기 위해 최적화되어 있지 않은 한계를 보완한다.
• 지속적인 물리적 기록을 제공하는 트리거 없는 배경 없는 보완 검출 시스템을 제공하여 발견의 확신도를 높인다.
• MAPP-2 및 MEDICI 시설을 포함한 단계적 개선을 통해 향후 고에너지 충돌기, 예를 들어 FCC-hh를 위한 비용 효율적이고 확장 가능한 검출기 인프라 개발을 목표로 한다.
• 초기 질량 또는 고전하 입자를 통해 초과물리 모델, 예를 들어 스위프림형 대칭 모델, L-R 대칭 모델, 중성미온 질량 메커니즘 등을 탐색할 수 있도록 한다.

제안 방법

• 런-3 및 HL-LHC 기간 동안 MoEDAL과 병행 작동하기 위해, IP8에서 100m 떨어진 UA83 갤러리에 MAPP-1 검출기를 설치한다.
• 희귀한 장수명 또는 고이온화 사건을 포착하기 위해 핵트랙 검출기와 핵유리 촬영 기반의 트리거 없는 영구 기록 검출 시스템을 활용한다.
• 낮은 감지 임계값과 5배 증가한 순순도 루미노시티를 도입하여, 낮은 단면적 및 고질량 입자에 대한 감도를 향상시킨다.
• 미래의 MAPP-2 검출기를 IP8에 인접한 UGC1 갤러리에 설계하며, 장수명 입자 전용 붕괴 영역을 갖춘다. 초도 비용 추정치는 500만~600만 CHF이다.
• 미래의 FCC-hh에서의 MEDICI 시설에 대한 개념 설계를 개발하며, 개방형 상호작용 지점과 LLP용 붕괴 영역을 포함한다. 단극자를 20–30 TeV/c²까지 탐지할 수 있는 NTD '볼' 검출기의 가능성도 고려한다.
• 기존 CERN 인프라와 협업 네트워크를 활용하여 비용을 최소화하고 LHC 운영 및 기타 실험 프로그램과의 통합을 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MoEDAL-MAPP는 양성자-양성자 및 중수소 충돌에서 밀리전하 입자와 단극자와 같은 장수명 및 미세하게 상호작용하는 입자에 대해 경쟁적인 감도를 확보할 수 있는가?
• RQ2 MAPP-1 및 MAPP-2 검출기는 주요 LHC 실험들의 능력을 초월하여 고이온화 입자와 장수명 입자의 LHC 탐지 가능 범위를 얼마나 확장할 수 있는가?
• RQ3 질량이 크거나 고전하를 지닌 입자 또는 어둠의 영역 모델을 포함한 새로운 물리 현상에 대해, MoEDAL-MAPP와 같은 비용 효율적인 전용 검출기 시설이 달성할 수 있는 감도는 어느 정도인가?
• RQ4 MoEDAL-MAPP의 영구적인 물리적 기록과 표준모형 배경의 부재는 어떤 새로운 물리 현상 발견의 신뢰성과 확인 가능성에 어떻게 기여하는가?
• RQ5 FCC-hh에서의 미래 MEDICI 시설은 질량이 최대 30 TeV/c²인 장수명 입자와 단극자를 탐지하기 위해 얼마나 실현 가능하고 물리적 잠재력을 지닐 수 있는가?

주요 결과

• MoEDAL-MAPP 프로젝트는 CERN 연구위원회로부터 1단계 승인을 받았으며, 현재 MAPP-1 검출기가 IP8에서 100m 떨어진 UA83 갤러리에 설치 중이다.
• MAPP-1 업그레이드로 MoEDAL의 순순도 루미노시티가 5배 증가하고 감지 임계값이 낮아져, 장수명 및 미세하게 상호작용하는 입자에 대한 감도가 크게 향상되었다.
• MoEDAL-MAPP는 주요 LHC 실험들과 MATHUSLA 및 SHiP와 같은 고비용 전용 프로젝트와의 경쟁적이고 보완적인 감도를 확보하였으며, 특히 장수명 입자와 밀리전하 입자에 대해 유의미한 성과를 거두었다.
• 초기 물리 연구 결과에 따르면, LS3 기간(2025–2026) 동안 UGC1 갤러리에 설치 예정인 MAPP-2는 핵심 벤치마크 시나리오에서 MATHUSLA와 MAPP-2의 조합과 동등한 장수명 입자 감지 민감도를 제공할 것으로 예상된다.
• MAPP-1의 비용(인건비 제외)은 100만 CHF 이하이며, LHC의 탐지 가능 범위 확장을 위한 매우 비용 효율적인 접근 방식임을 입증한다.
• FCC-hh에서의 MEDICI 시설에 대한 초도 연구 결과에 따르면, NTD '볼' 검출기를 통해 질량이 20–30 TeV/c²까지의 단극자를 탐지할 수 있으며, 어둠의 스칼라 입자가 뮤온 쌍으로 붕괴하는 경우의 감도는 MATHUSLA와 MAPP-2의 조합과 동등할 것으로 예측된다.