[논문 리뷰] XSEN: a $ν$N Cross Section Measurement using High Energy Neutrinos from pp collisions at the LHC

N. Beni, S. Buontempo외 21명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 24.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

XSEN은 LHC의 전방 영역(7.5 < η < 9.5)에 설치된 핵성분 응고 검출기를 사용하여 테바스케일 에너지에서 중성미자-핵자 단면적의 고정밀 측정을 제안한다. 이 검출기는 IP1과 IP5에서 발생하는 양성자-양성자 충돌로 인한 중성미자를 이용한다. 실험은 약 100개의 타우 중성미자 상호작용을 수집하고, 두 에너지 영역(0.7 및 1.2 TeV)에서 단면적을 측정하여 제3의 입자에서의 새로운 물리 현상을 탐색한다.

ABSTRACT

XSEN (Cross Section of Energetic Neutrinos) is a small experiment designed to study, for the first time, neutrino-nucleon interactions (including the tau flavour) in the 0.5-1 TeV neutrino energy range. The detector will be installed in the decommissioned TI18 tunnel and uses nuclear emulsions. Its simplicity allows construction and installation before the LHC Run 3, 2021-2023; with 150/fb in Run3, the experiment can record up to two thousand neutrino interactions, and up to a hundred tau neutrino events. The XSEN detector intercepts the intense neutrino flux, generated by the LHC beams colliding in IP1, at large pseudo-rapidities, where neutrino energies can exceed the TeV. Since the neutrino-N interaction cross section grows almost linearly with energy, the detector can be light and still collect a considerable sample of neutrino interactions. In our proposal, the detector weighs less than 3 tons. It is lying slightly above the ideal prolongation of the LHC beam from the straight section; this configuration, off the beam axis, although very close to it, enhances the contribution of neutrinos from c and b decays, and consequently of tau neutrinos. The detector fits in the TI18 tunnel without modifications. We plan for a demonstrator experiment in 2021 with a small detector of about 0.5 tons; with 25/fb, nearly a hundred interactions of neutrinos of about 1 TeV can be recorded. The aim of this pilot run is a good in-situ characterisation of the machine-generated backgrounds, an experimental verification of the systematic uncertainties and efficiencies, and a tuning of the emulsion analysis infrastructure and efficiency. This Letter provides an overview of the experiment motivations, location, design constraints, technology choice, and operation.

연구 동기 및 목표

• 500 GeV 이상의 에너지에서 중성미자-핵자 단면적을 측정하여 기존의 가속기 데이터를 초월한다.
• W 및 B 붕괴에서 관측된 이질성에 기반하여 고에너지 타우 중성미자 상호작용을 통해 제3의 입자에서의 잠재적 새로운 물리 현상을 탐색한다.
• 파ilot 런을 통해 0.5톤의 응고 검출기를 사용하여 기계 유도 배경을 특성화하고 검출기 성능을 검증한다.
• LHC Run3 기간 동안 1.5~3톤의 검출기를 사용하여 두 에너지 영역(0.7 및 1.2 TeV)에서 독립적인 측정을 달성한다.
• 응고 기반의 트래킹 및 각도 재구성으로 인해 중성미자 플럭스와 배경 수준을 정밀하게 현장에서 校정할 수 있도록 한다.

제안 방법

• ATLAS IP1 근처의 TI18 동굴에 전방 영역(7.5 < η < 9.5)에 납층을 포함한 핵성분 응고 검출기를 설치한다.
• 응고를 사용하여 밀리미터 이하의 각도 해상도로 충전 입자 궤적을 기록하며, IP 기원의 입자와 국소 배경을 구분한다.
• 중성자 활성화로 인한 오염을 방지하기 위해 중성자 차폐(붕소 도핑 폴리에틸렌 또는 보론 카바이드 거품)를 갖춘 응고 스택을 설치한다.
• 후보 위치(VN, N, F, VF 등)에서 응고와 방사선 모니터를 사용하여 현장에서의 배경 특성화를 수행하며, Fluka 시뮬레이션을 통해 검증한다.
• 이중 단계 운영을 구현한다: 1단계(2019–2021)는 파ilot 런 및 인프라 조정을 위한 단계이며, 2단계(2022–LS3)는 질량을 확장하여 전면 데이터 수집을 위한 단계이다.
• 측량 목표물과 정밀한 브릭 배치를 통해 빔 라인으로부터의 거리를 정확히 유지하여 정확한 단면적 재구성 가능성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 500 GeV 이상의 에너지에서 중성미자에 대한 νN 단면적은 에너지에 따라 어떻게 변화하는가, 특히 타우 중성미자에 대해 어떻게 되는가?
• RQ2 LHC에서의 고에너지 중성미자 상호작용이 제3의 입자에서 표준모형과의 편차를 드러내는가?
• RQ3 기계 유도 배경(중성미자, 양성자, 중성자 등)이 LHC 전방 영역에서 중성미자 검출에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 0.7–1.2 TeV 범위에서 응고 검출기가 희귀한 타우 중성미자 상호작용에 대해 어떤 감도를 가지는가?
• RQ5 비활동적이고 침입성이 낮은 검출기 시스템이 LHC 턨널에 설치되어 운영될 수 있으며, 빔 운영에 영향을 주지 않고 작동할 수 있는가?

주요 결과

• 실험은 Run3 기간 동안 약 100개의 타우 중성미자 상호작용을 수집하여 테바스케일 에너지에서 νN 단면적을 직접 측정할 수 있도록 설계되어 있다.
• 국소 기원의 배경 수준은 탄성 입자에 대해 약 10^6 /cm², 뮤온에 대해 약 10^5 /cm²이며, 무작위 궤적으로 인한 주로 등방성 배경이 10^7 /cm²로 지배적이다.
• IP에서 유래한 뮤온 궤적은 θx에서 약 20 mrad, θy에서 약 0 mrad에 날카로운 각도 피크를 보이며, 기대되는 플럭스와 응고 반응과 일치한다.
• 0.5톤의 검출기를 사용한 파ilot 런은 전체 배포 이전에 배경 모델을 검증하고 응고 스캐닝 효율을 최적화하는 데 기여할 것으로 예상된다.
• 검출기 설치 및 응고 교체 작업은 8시간 이내에 완료되며, LHC 일정과의 호환성을 확보한다.
• PM15 출입구와 냉각선 아래(80cm 폭, 34cm 높이)의 통로를 통한 접근이 안전하고 실현 가능하다는 것이 확인되었다.