[논문 리뷰] SND@LHC: The Scattering and Neutrino Detector at the LHC

The SND LHC Collaboration|CERN Document Server (European Organization for Nuclear Research)|2022. 10. 06.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 28

한 줄 요약

SND@LHC는 TI18에서 480 m 떨어진 위치의 소형 검출기로, LHC의 포워드 뉴트리노를 측정하고 Feebly Interacting Particles를 탐색하며, LHC Run 3에서 약 250 fb^-1를 모으고 모든 맛의 약 2,000건의 고에너지 뉴트리노 상호작용을 관측하는 것을 목표로 한다.

ABSTRACT

SND@LHC is a compact and stand-alone experiment designed to perform measurements with neutrinos produced at the LHC in the pseudo-rapidity region of ${7.2 < η< 8.4}$. The experiment is located 480 m downstream of the ATLAS interaction point, in the TI18 tunnel. The detector is composed of a hybrid system based on an 830 kg target made of tungsten plates, interleaved with emulsion and electronic trackers, also acting as an electromagnetic calorimeter, and followed by a hadronic calorimeter and a muon identification system. The detector is able to distinguish interactions of all three neutrino flavours, which allows probing the physics of heavy flavour production at the LHC in the very forward region. This region is of particular interest for future circular colliders and for very high energy astrophysical neutrino experiments. The detector is also able to search for the scattering of Feebly Interacting Particles. In its first phase, the detector will operate throughout LHC Run 3 and collect a total of 250 $ ext{fb}^{-1}$.

연구 동기 및 목표

• Charmed-hadron decays에서 유래한 뉴트리노를 이용해 매우 포워드 LHC 영역에서 무거운 플래버 생산을 탐색한다.
• 세 가지 모든 뉴트리노 맛을 식별하여 렙런 플래버 유니버설리티를 검증하고 뉴트리노-핵상호작용을 연구한다.
• 매우 낮은 x에서의 charm 생산 및 PDF 제약을 정보하기 위해 뉴트리노 상호작용 단면과 플럭스를 측정한다.
• 검출기 내 산란을 통해 Feebly Interacting Particles를 탐색하고 보완적인 매개변수 공간에서의 민감도를 평가한다.

제안 방법

• 정밀한 버텍스와 에너지 측정을 위한 에멀전-텅스텐 타깃과 전자 트래커 및 칼로리메트리를 결합한 하이브리드 검출기 설계.
• IP1에서 검출기로 들어오는 하전 입자를 배제하기 위한 신틸레이터 바로 구성된 배제 시스템.
• SciFi 평면을 갖춘 타깃 트래커가 ECC와 함께 타이밍과 전자기 칼로리메트리를 제공한다.
• 미크로미터 수준의 트래킹과 tau 및 charmed-hadron 버텍스 재구성을 위한 에멀전 클라우드 체임버 벽.
• 완전한 이벤트 재구성과 플래버 태깅을 위한 하류 방향의 하드로닉 칼로리메트리와 뮤온 식별 시스템.
• 뉴트리노와 FIP 탐색에서 Feebly Interacting Particles를 구분하기 위한 약 200 ps 해상도의 TOF(Time-of-Flight) 기능.
• FLUKA를 flux 전파에, DPMJET3를 이벤트 생성에, GENIE를 뉴트리노 상호작용에 사용하는 몬테카를로 시뮬레이션 체인.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC pp 충돌에서 생성된 포워드 뉴트리노의 맛 구성과 에너지 스펙트럼은 무엇인가(η 범위 7.2–8.4)?
• RQ2 포워드 뉴트리노 측정이 Very low x(~1e-6)에서 charm 생산 및 글루온 PDF를 제약할 수 있는가?
• RQ3 ν_e/ν_μ 및 ν_e/ν_τ 비율을 통한 렙런 플래버 유니버설리티가 포워드 뉴트리노 상호작용에서 유지되는가?
• RQ4 Detector 내 산란을 이용한 Feebly Interacting Particles의 민감도 및 FIP 탐색에서의 한계는 무엇인가?

주요 결과

• 250 fb^-1에서 대상 부피의 약 1700건의 충전류-CC와 550건의 중성류 NC 상호작용이 예상되며, 전체적으로는 약 72%가 ν_μ이고 약 23%가 ν_e이다.
• 확인된 η 범위에서 ν_e 및 반 ν_e는 주로 charmed-hadron decays에서 기인하며, 챔드-하드론 생산에 대해 약 5%의 통계적 불확실성과 약 35%의 체계적 불확실성을 가능하게 한다.
• ν_e/ν_μ 비율은 렙런 플래버 유니버설리티를 시험하는 지표가 되며, 총 불확실성은 약 15%로 예측된다(텍스트에 기재된 10% 통계 + 10% 체계 구성 요소 참조).
• NC/CC 비율은 내부 일관성 점검 및 Weinberg 각의 대리 지표로 사용될 수 있으며, 예측된 통계적 불확실성은 <5%이고 해제된 체계적 불확실성은 약 10% 수준이다.
• 전방향 뉴트리노 측정은 x ~ 1e-6에서 글루온 PDF를 탐색하고 챔드 쇄생에서 나온 고에너지 대기 뉴트리노 플럭스의 불확실성을 줄일 수 있다.
• SND@LHC는 시간-비행 및 위상/운동학 선택을 이용하여 Feebly Interacting Particles를 뉴트리노와 구분하는 모델 비의존적 직접 탐색도 가능하다.