[論文レビュー] A Letter of Intent for MATHUSLA: a dedicated displaced vertex detector above ATLAS or CMS

C. Alpigiani, Austin Ball+62 more|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2018

Particle Detector Development and Performance被引用数 5

ひとこと要約

この意図表明書は、CERNのATLASまたはCMSの上に設置される、中性長寿命粒子（LLP）を検出することを目的とした専用のずれた頂点検出器MATHUSLAを提案する。この検出器は、抵抗性板チャンバー（RPC）やシンチレーター・ホドスコープといった既存技術を用い、最大1ミリ秒までの寿命を持つ中性長寿命粒子を検出する。この検出器により、ATLASおよびCMSがカバーできない領域のLLPに対する感度が得られ、新物理の発見可能性が向上し、宇宙線物理学プログラムとも相補的である。

ABSTRACT

In this Letter of Intent (LOI) we propose the construction of MATHUSLA (MAssive Timing Hodoscope for Ultra-Stable neutraL pArticles), a dedicated large-volume displaced vertex detector for the HL-LHC on the surface above ATLAS or CMS. Such a detector, which can be built using existing technologies with a reasonable budget in time for the HL-LHC upgrade, could search for neutral long-lived particles (LLPs) with up to several orders of magnitude better sensitivity than ATLAS or CMS, while also acting as a cutting-edge cosmic ray telescope at CERN to explore many open questions in cosmic ray and astro-particle physics. We review the physics motivations for MATHUSLA and summarize its LLP reach for several different possible detector geometries, as well as outline the cosmic ray physics program. We present several updated background studies for MATHUSLA, which help inform a first detector-design concept utilizing modular construction with Resistive Plate Chambers (RPCs) as the primary tracking technology. We present first efficiency and reconstruction studies to verify the viability of this design concept, and we explore some aspects of its total cost. We end with a summary of recent progress made on the MATHUSLA test stand, a small-scale demonstrator experiment currently taking data at CERN Point 1, and finish with a short comment on future work.

研究の動機と目的

• ATLASおよびCMSのトリガー制限および背景制限により、検出が困難な長寿命のうち中性長寿命粒子（LLP）を検出するという、重要な検出ギャップを埋めるため。
• 特にRPCおよびシンチレーター・ホドスコープといった既存技術を用い、HL-LHCアップグレードスケジュールに適合する、コスト効果的でモジュラーな検出器を開発するため。
• 隠れたバレーおよびヒッグスポータルのシナリオを含む、代表的なLLPモデルにおける高感度探索を可能にし、検出範囲を数個のオーダー拡大するため。
• CERN Point 1に宇宙線望遠鏡を設置し、超高エネルギー宇宙線および天体物理学的現象を研究するため。
• CERN Point 1でのテストスタンドを用いて、実データを用いたトリガーおよびトラッキング性能を検証することで、検出器概念を検証するため。

提案手法

• 主に抵抗性板チャンバー（RPC）を用いたモジュラー構造を採用し、Argo-YBJ実験の技術を応用して、ATLAS RPC用ガス混合物を用いたストリーマモードで動作可能に改良する。
• 上部および下部の2層構造を持つシンチレーター・ホドスコープ系を実装し、波長シフト繊維を用いて光を集めるために、台形形状のBICRON 404Aシンチレーターを用いる。
• 2段階のトリガー系を設計：上向きおよび下向きの荷電粒子のトリガーを、上部および下部のシンチレーター層間の時間一致と飛行時間補正に基づく。
• 標準的なVMEベースの商用電子機器をデータ取得に使用し、受信カードがRPCパッドの多重度および時間情報をデジタル化する。
• DØ実験およびArgo-YBJ RPCの部品を用いて、CERN Point 1にテストスタンドを統合し、トリガー論理およびトラッキング効率を検証する。
• バックグラウンドの研究および再構築シミュレーションを実施し、最終的な検出器の幾何形状を決定し、LLP信号に対する感度を最適化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モジュラーでコスト効果的なずれた頂点検出器は、ATLASおよびCMSの能力を超えて、中性長寿命粒子（LLP）の検出範囲を顕著に拡大できるか？
• RQ2 特に長寿命の中性粒子に対して、MATHUSLAの感度は、ヒッグスポータルおよび隠れたバレーの代表的モデルにおいてどの程度のものか？
• RQ3 シンチレーター・ホドスコープとRPCを用いた提案されたトリガー系は、上向きおよび下向きの荷電粒子を高い効率で同定できるか？
• RQ4 CERN Point 1のテストスタンドは、実ビーム条件下でRPCおよびシンチレーターの主要部品の性能をどの程度まで検証できるか？
• RQ5 MATHUSLAは、超高エネルギー宇宙線および天体物理学的現象を調査するための宇宙線望遠鏡として、どの程度の可能性を有するか？

主な発見

• MATHUSLAのテストスタンドは、DØのシンチレーターおよびArgo-YBJ方式のRPCを用いて、トリガー論理およびトラッキング性能を実証した。データ取得および時間分解能がリアルタイムで検証された。
• Argo-YBJ実験のRPCは、15%のアルゴン添加を伴うATLAS RPCガス混合物を用いてストリーマモードで動作可能であり、別個のガスシステムの設置を回避できる。
• 検出器概念は、LLP崩壊に起因するずれた頂点を検出するための高い効率を達成しており、最大数ミリ秒までのLLP寿命まで感度が及ぶ。
• バックグラウンドの研究から、中性LLPに対して非常に低いかゼロのバックグラウンドが達成可能であり、現在のLHC実験を上回る発見可能性が得られると示された。
• 既存技術を用いたモジュラー設計により、HL-LHCスケジュール内でのコスト効果的な導入が可能であり、予想される費用は施設に依存するが、妥当である。
• テストスタンドは、トリガーおよびデータ取得チェーンの完全な動作を実証した。CERNのRun-2終了までデータ収集が継続された。