[논문 리뷰] The CMS Precision Proton Spectrometer at the HL-LHC -- Expression of Interest

CMS Collaboration|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 03.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 히그스 보존의 질량 범위를 43–2.7 TeV로 확장하여 기존 PPS 능력 대비 약 10배 증가한 데이터 수집이 가능한, 고광도 LHC(HL-LHC)의 CMS 실험을 위한 새로운 근접 비틀림 프로톤 스펙트로미터를 제안한다. 이는 상호작용점에서 196, 220, 234 및 420 m 거리에 위치한 이동식 로만 포트 검출기들을 사용하여 중심 배제 생성(Central Exclusive Production, CEP) 사건에서 유래한 프로톤의 고정밀 측정을 가능하게 한다.

ABSTRACT

The CMS Collaboration intends to pursue the study of central exclusive production (CEP) events, pp $ o$ pXp, at the High-Luminosity LHC (HL-LHC) by means of a new near-beam proton spectrometer. In CEP events, the state X is produced at central rapidities, and the scattered protons do not leave the beam pipe. The kinematics of X can be fully reconstructed from that of the protons, which gives access to final states otherwise not visible. CEP allows unique sensitivity to physics beyond the standard model, e.g. in the search for anomalous quartic gauge couplings, axion-like particles, and in general new resonances. CMS has been successfully operating the Precision Proton Spectrometer (PPS), initially a joint CMS and TOTEM project, since 2016. The present document outlines the physics interest of a new PPS at the HL-LHC, and explores its feasibility and expected performance. Discussions with the machine groups led to the identification of four locations suitable for the installation of movable proton detectors: at 196, 220, 234, and 420 m from the interaction point, on both sides. Acceptance studies indicate that having the beams cross in the vertical plane at the interaction point, as implemented after Long Shutdown 3, is preferable over the present horizontal crossing. This gives access to states X in the mass range 133 GeV$-$2.7 TeV with the stations at 196, 220, and 234 m. The lower mass limit becomes 43 GeV if the 420 m station is included, which makes it possible to study central exclusive production of the 125 GeV Higgs boson. This is a major improvement with respect to the current mass range of 350 GeV$-$2 TeV. The project and its costs can easily be staged; the 420 m station can be addressed in a second step. In summary, a new near-beam proton spectrometer for operation at the HL-LHC appears feasible. It would greatly extend the CMS physics reach with a limited investment.

연구 동기 및 목표

• HL-LHC에서 중심 배제 생성(Central Exclusive Production, CEP) 사건으로부터 프로톤의 고정밀 측정을 가능하게 하여 이전에 관측되지 않은 최종 상태에 접근한다.
• 현재 350 GeV–2 TeV의 범위를 초월하여 축축한 입자, 비정상 4중 게이지 상호작용 상수, 새로운 공명 등에 대한 새로운 물리 현상 탐색의 질량 범위를 확장한다.
• HL-LHC 환경에서의 방사선 및 피로 충돌 문제를 고려하여 첨단 검출기 설계 및 원격 보정 전략을 통해 이를 극복한다.
• 방사선 완화를 위한 수직 이동 및 시간 기반의 복합 점위 재구성 기술을 통합한 이동식 검출기 시스템을 도입하여 장기적인 성능을 확보한다.
• 기존 Phase-2 업그레이드의 중심 픽셀 및 타이밍 시스템과의 기술 융합을 고려한 비용 효율적이고 단계적인 프로톤 스펙트로미터 배치를 달성한다.

제안 방법

• 상호작용점에서 196, 220, 234 및 420 m 거리에 이동식 로만 포트(XRP) 검출기를 설치하며, 따뜻한 위치에는 기존 XRP 기술을, 420 m의 냉각 위치에는 수정된 냉각기구를 사용한다.
• 다이아몬드 검출기, 3D 픽셀 또는 평판 실리콘 센서를 사용한 이중 층 트래킹 및 시간 도달 시간 시스템을 구현하여 종방향 점위 위치를 측정하고 프로톤 궤적을 재구성한다. 이 시스템은 50–60 ps의 시간 해상도를 확보한다.
• 매 20 fb⁻¹마다 0.5 mm의 수직 이동을 통해 방사선 손상을 완화시키기 위해 방사선 피크가 검출기 표면 전반에 걸쳐 분포되도록 한다.
• Run 1 및 Run 2 기간 동안 축적된 PPS 인프라 및 경험을 활용하며, 중심 픽셀 시스템 및 향후 향상된 MIP 타이밍 검출기 개발과의 기술 융합을 통해 통합한다.
• 특수 보정 필링 및 비드 기반 정렬 기술을 사용하여 비드 광학 보정 및 정렬 절차를 수행하여 1mm 이내의 정밀도를 유지한다.
• 기계적 설계 및 차폐를 철저히 고려하여 임피던스 및 비드 홀로 방지하며, 기계 보호 시스템(BIS, BLM 등)과 통합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HL-LHC에서 새로운 프로톤 스펙트로미터를 사용할 경우 중심 배제 생성(Central Exclusive Production, CEP) 사건의 가능한 질량 범위는 무엇인가?
• RQ2 고광도 LHC 환경에서 작동하는 전방 프로톤 검출기에서 방사선 손상을 어떻게 완화할 수 있는가?
• RQ3 CEP 물리에서 운동량 수용 범위와 재구성 해상도를 극대화하기 위해 최적의 검출기 위치 및 기술은 무엇인가?
• RQ4 HL-LHC에서 예상되는 높은 피로 충돌(μ ≈ 200) 조건에서 타이밍 및 트래킹 해상도를 어떻게 최적화할 수 있는가?
• RQ5 비드 파이프 근처의 여러 위치에 단계적으로 이동 가능한 프로톤 스펙트로미터 시스템을 구축하는 데 드는 비용과 실현 가능성은 무엇인가?

주요 결과

• 420 m 위치의 검출기를 포함할 경우, 새로운 스펙트로미터는 CEP의 질량 범위를 43–2.7 TeV로 확장하여 125 GeV에서의 중심 배제 히그스 보존 생성을 처음으로 직접 연구할 수 있게 한다.
• 196, 220 및 234 m 위치의 검출기만으로도 133 GeV–2.7 TeV의 질량 범위를 확보하며, 현재의 350 GeV–2 TeV 범위에 비해 상당한 향상이 이루어진다.
• 매 20 fb⁻¹마다 0.5 mm의 수직 이동이 검출기 표면 전체에 방사선 피크를 분포시키기 위해 충분히 효과적이다.
• 50–60 ps의 타이밍 해상도는 고피로 충돌 조건에서도 점위 재구성에 충분하며, 상호작용 간의 정밀한 분리를 가능하게 한다.
• 196, 220 및 234 m 위치의 검출기 비용은 약 1–2 MCHF로 추정되며, 420 m 위치의 검출기는 추가 비용 분석이 필요하지만 단계적 배치가 가능하다.
• LS3 이후에 비드 교차점에서의 수직 비드 교차가 필수적이며, 이는 히그스 질량 영역을 완전히 커버할 수 있도록 한다.