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

N. Béni, A DiCrescenzo외 21명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 31인용 수 4

한 줄 요약

XSEN은 LHC의 폐기된 TI18 터널에서 핵 에멀전을 사용하여 소형·경량의 중성미자 탐지기를 구축하여 0.5–1 TeV 에너지 범위에서 중성미자-핵자 단면적을 처음으로 측정한다. 이 실험은 타우 중성미자까지 포함하며, LHC 런 3 동안 약 150/fb의 적분 루미노사티에서 약 2,000개의 상호작용과 최대 100개의 타우 중성미자 사건을 기록하여, 이전에 탐색되지 않은 에너지 영역에서 표준모형의 정밀한 검증을 가능하게 한다.

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

• 가속기 실험에서 이전에 탐색되지 않은 0.5–1 TeV 에너지 범위에서 중성미자-핵자 단면적을 측정하는 것.
• 제3 쿼ark 세대에서의 표준모형의 잠재적 위반에 민감한 타우 중성미자 상호작용을 연구하는 것.
• 전체 데이터 수집 전에 시범 운행 동안 기계로 생성된 배경을 현장에서 특성화하는 것.
• 0.5톤의 시범 탐지기를 사용하여 에멀전 분석 인프라와 효율성을 검증하는 것.
• 약 0.7 TeV과 1.2 TeV 중심의 두 개의 독립된 에너지 영역에서 정밀한 단면적 측정을 달성하는 것.

제안 방법

• IP1에서의 pp 충돌로 발생하는 고에너지 중성미자를 탐지하기 위해, TI18 터널에 약 3톤의 경량 탐지기(핵 에멀전 블록으로 구성)를 설치하며, 이는 큰 의사속도(7.5 < η < 9.5)에 위치하여 중성미자를 캐치한다.
• 큰 η에서 c 및 b 쿼크의 붕괴로 발생하는 자연 중성미자 플럭스를 활용하며, 운동역학적 구조 덕분에 타우 중성미자의 기여가 증가한다.
• 2021년에 0.5톤의 시범 탐지기를 설치하여 약 25/fb의 데이터로 현장에서의 배경을 특성화하고, 에멀전 분석 절차를 캘리브레이션한다.
• 핵 에멀전을 사용하여 입자 궤적과 충돌점 재구성을 수행하며, 중성미자 상호작용과 타우 렙톤 붕괴를 고해상도로 감지할 수 있다.
• 정확한 블록 위치 조정을 위해 측량 표적과 좌표계 정렬을 구현하여 빔선대비 충돌점 재구성 정확도를 확보한다.
• 엄격한 안전 및 물류 조율을 통해 CERN의 전용 시설에서 에멀전 개발 및 스캔을 수행하여 지연을 최소화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 0.5–1 TeV 범위에서 중성미자-핵자 총 단면적의 에너지 의존성은 어떻게 되며, 표준모형 예측과 비교해 볼 때 어떻게 다를까?
• RQ2 이 고에너지 영역에서 타우 중성미자 상호작용이 총 단면적에 기여하는 비율은 얼마이며, 표준모형의 위반 여부를 드러내는 데 기여할 수 있을까?
• RQ3 기계로 생성된 배경(예: 뮤온, 하드론)은 LHC 빔라인 근처 고속도 환경에서 탐지 효율성과 순도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 저질량·수동형 에멀전 탐지기가 런 3 동안 정밀한 단면적 측정을 위해 충분한 사건 통계와 해상도를 확보할 수 있을까?
• RQ5 에멀전 분석의 시스템적 불확도는 무엇이며, 시범 탐지기를 통해 현장에서 캘리브레이션 가능할까?

주요 결과

• XSEN 탐지기는 LHC 런 3에서 150/fb의 통합 루미노사티로 최대 2,000개의 중성미자 상호작용을 기록할 것으로 예상된다.
• 실험은 500 GeV 이상의 에너지에서 타우 중성미자 단면적을 직접 측정할 수 있도록 최대 100개의 타우 중성미자 사건을 수집하는 것을 목표로 한다.
• 2021년에 0.5톤의 시범 탐지기를 계획하여 약 100개의 중성미자 상호작용(약 1 TeV 에너지)을 25/fb로 기록함으로써 현장에서의 배경 특성화가 가능해진다.
• 탐지기 설계는 TI18 터널에 수정 없이 적합하며, 두 명이 8시간 이내에 설치 및 에멀전 교체가 가능하다.
• 핵 에멀전의 사용은 짧은 수명을 가진 타우 렙톤 붕괴를 식별하는 데 필수적인 고해상도 궤적 추적과 충돌점 재구성 기능을 제공한다.
• 실험은 전원이나 능동 장치 없이 작동하도록 설계되어 LHC 운영에 간섭을 최소화하고, 수동적이며 안전한 배치를 보장한다.