[논문 리뷰] Technical Proposal: FASERnu

FASER Collaboration, H. Abreu외 70명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 09.

Particle Detector Development and Performance인용 수 42

한 줄 요약

FASERν는 ATLAS IP로부터 480 m 떨어진 소형 에멀전-텅스텐 검출기를 제안하여 TeV 에너지의 collider 뉴트리노를 검출하고, 맛별 교차 단면을 측정하며 중성미자 생성 및 상호 작용을 연구하는 것을 목표로 한다. Run 3(2021–23)에서 약 1,300개의 전자 뉴트리노, 20,000개의 muon 뉴트리노, 그리고 20 tau 뉴트리노 상호작용을 기대하며, 검출기 세트 7개를 설치하고 에멀전 교체를 데이터 20–50 fb⁻¹마다 수행한다.

ABSTRACT

FASERnu is a proposed small and inexpensive emulsion detector designed to detect collider neutrinos for the first time and study their properties. FASERnu will be located directly in front of FASER, 480 m from the ATLAS interaction point along the beam collision axis in the unused service tunnel TI12. From 2021-23 during Run 3 of the 14 TeV LHC, roughly 1,300 electron neutrinos, 20,000 muon neutrinos, and 20 tau neutrinos will interact in FASERnu with TeV-scale energies. With the ability to observe these interactions, reconstruct their energies, and distinguish flavors, FASERnu will probe the production, propagation, and interactions of neutrinos at the highest human-made energies ever recorded. The FASERnu detector will be composed of 1000 emulsion layers interleaved with tungsten plates. The total volume of the emulsion and tungsten is 25cm x 25cm x 1.35m, and the tungsten target mass is 1.2 tonnes. From 2021-23, 7 sets of emulsion layers will be installed, with replacement roughly every 20-50 1/fb in planned Technical Stops. In this document, we summarize FASERnu's physics goals and discuss the estimates of neutrino flux and interaction rates. We then describe the FASERnu detector in detail, including plans for assembly, transport, installation, and emulsion replacement, and procedures for emulsion readout and analyzing the data. We close with cost estimates for the detector components and infrastructure work and a timeline for the experiment.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 생산되는 가장 높은 에너지에서 중성미자의 생성, 전파 및 상호 작용을 조사한다.
• TeV 규모에서 ν_e, ν_μ, 및 ν_τ에 대한 ν–N 전하 전류 교차 단면을 측정한다.
• TeV 에너지에서 ν_τ 사건 및 tau 중성미자 상호 작용을 탐지하고 연구한다.
• 가속기, 충돌기, 및 천입자 물리학에 관련된 forward hadron 생성 모델을 제약한다.
• 짧은 베이스라인에서의 스테릴 중성미자 진동의 가능성을 탐구한다.

제안 방법

• 두께 1.35 m의 공간에 부피 25 cm × 25 cm에 1.2톤의 텅스텐 타깃을 형성하도록 텅스텐과 교대로 배치된 1000개의 에멀전 층을 배치한다.
• 검출기를 TI12에 FASER 바로 앞에 배치하고 ATLAS IP로부터 480 m 떨어진 빔 충돌 축을 따라 배치한다.
• 2021–2023 사이에 7개의 에멀전-텅스턴 검출 세트를 설치하고 데이터 20–50 fb⁻¹마다 교체한다.
• 에멀전 필름을 개발하고 판독하며, 중성미 에너지를 측정하고 맛을 구분하기 위해 이벤트를 재구성한다.
• 선택적으로 FASER와의 인터페이스 검출기를 추가하여 ν_μ와 0̄_μ 사건을 구분하고 신호/배경 구분을 향상시킨다.
• 플럭스, 배경 및 사건률을 추정하기 위한 상세 시뮬레이션 및 현장 측정치를 제공한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 TeV 에너지에서 ν–핵의 전하 전류 교차 단면은 ν_e, ν_μ, 및 ν_τ에 대해 어떠한가?
• RQ2 충돌기 포워드 중성미자가 맛-태깅되고 에너지가 에멀전 검출기로 재구성될 수 있는가?
• RQ3 TeV 에너지에서 tau 중성미자 상호 작용율과 ν_τ 사건을 식별하는 능력은 어떠한가?
• RQ4 앞으로의 forward hadron 생성 모델이 LHC의 중성미자 플럭스 예측에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 TeV 에너지 중성미자 빔으로 짧은 베이스라인에서 스테릴 중성미자 진동에 대한 민감도가 있는가?

주요 결과

• Run 3에서 FASERν의 예상 중성미자 상호작용: ~1,300 ν_e, ~20,000 ν_μ, 및 ~20 ν_τ.
• 검출기는 텅스턴이 포함된 1000개의 에멀전 층으로 구성되며, 25 cm × 25 cm × 1.35 m 부피 내에 1.2톤의 텅스턴 타깃을 형성한다.
• Run 3 동안 7개의 에멀전 세트가 설치되며 교체는 대략 20–50 fb⁻¹마다 이루어진다.
• Run 3 계획은 기존 데이터로는 현재 제약되지 않는 에너지에서 ν–핵 CC 교차 단면을 측정하게 한다.
• TeV 에너지에서 ν_τ CC 상호작용 약 20개 중 약 13개를 관측하고 τ 생성 및 붕괴 토폴로지를 연구할 수 있는 가능성.
• FASER와의 인터페이스 검출기는 ν_μ와 0̄_μ 사건을 구분하고 맛 분리 및 배경 제거를 향상시킬 수 있다.