[論文レビュー] An Update to the Letter of Intent for MATHUSLA: Search for Long-Lived Particles at the HL-LHC

C. Alpigiani, J. C. Arteaga-Velázquez+81 more|arXiv (Cornell University)|Sep 3, 2020

Particle Detector Development and Performance被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、HL-LHCにおける長寿命粒子（LLP）探索のためのMATHUSLA検出器設計を更新し、CMS衝突点の近くで20 m地下に位置する100 m × 100 m、高さ25 mの検出器を提案する。新しい設計は、元の200 m × 200 m設計と同等の物理的到達範囲を達成しており、IPに近い位置にあるため、小cτのLLPに対して感度が向上している。また、波長シフト繊維とシリコンフォトマルチプライヤーで読み取られる押出成形スチロールバーを用いることで、低電圧で安定した運用が可能となり、コストも削減される。

ABSTRACT

We report on recent progress in the design of the proposed MATHUSLA Long Lived Particle (LLP) detector for the HL-LHC, updating the information in the original Letter of Intent (LoI), see CDS:LHCC-I-031, arXiv:1811.00927. A suitable site has been identified at LHC Point 5 that is closer to the CMS Interaction Point (IP) than assumed in the LoI. The decay volume has been increased from 20 m to 25 m in height. Engineering studies have been made in order to locate much of the decay volume below ground, bringing the detector even closer to the IP. With these changes, a 100 m x 100 m detector has the same physics reach for large c$τ$ as the 200 m x 200 m detector described in the LoI and other studies. The performance for small c$τ$ is improved because of the proximity to the IP. Detector technology has also evolved while retaining the strip-like sensor geometry in Resistive Plate Chambers (RPC) described in the LoI. The present design uses extruded scintillator bars read out using wavelength shifting fibers and silicon photomultipliers (SiPM). Operations will be simpler and more robust with much lower operating voltages and without the use of greenhouse gases. Manufacturing is straightforward and should result in cost savings. Understanding of backgrounds has also significantly advanced, thanks to new simulation studies and measurements taken at the MATHUSLA test stand operating above ATLAS in 2018. We discuss next steps for the MATHUSLA collaboration, and identify areas where new members can make particularly important contributions.

研究の動機と目的

• 長寿命粒子（LLP）の探索感度を向上させるために、MATHUSLA検出器設計を最適化し、ずれた頂点再構築の性能を高める。
• 従来のRPCを波長シフト繊維とシリコンフォトマルチプライヤーで読み取る押出成形スチロールバーに置き換えることで、検出器コストを削減し、運用の耐障害性を向上させる。
• CMS衝突点に近い位置に検出器を設置することで、小スケールの固有崩壊長（cτ）を持つLLPの物理的到達範囲を拡大する。
• 詳細なシミュレーションとテストスタンド測定を通じて、大気およびLHC由来のニュートリノの背景抑制戦略を検証する。
• MATHUSLAの大型で細粒なトラッキングシステムを活用して、大気圏上層シャワーおよびペブトンスケールの宇宙線測定を対象とする強力な宇宙線科学プログラムを確立する。

提案手法

• 検出器は、LHC Point 5（CMS衝突点の近く）に位置する20 m地下に、100 m × 100 m、高さ25 mの構造として再設計され、背景低減と近接性の向上を図る。
• トラッキングシステムは、波長シフト繊維と結合されたシリコンフォトマルチプライヤー（SiPM）で読み取られる押出成形スチロールバーを採用し、低電圧でグリーンハウスガスを排出しない運用を可能にする。
• 背景研究には、GENIE v2.12.10を用いた詳細なシミュレーションを実施し、大気ニュートリノの空気中相互作用および最小衝突断面積衝突からのLHC由来ニュートリノをモデル化する。
• ニュートリノフラックスはFréjus実験の測定値に基づき、MATHUSLA検出器体積への入射フラックスに再重み付けされている。
• 背景低減は、2本のトラックがβ > 0.8を満たし、頂点再構築が衝突点に戻ることを要件とする運動量カットにより強化される。
• 宇宙線科学のための密集した大気圏上層シャワー核の再構築を向上させるために、ハイブリッドデジタルアナログRPC層へのアップグレードが検討中である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 小規模で地下に設置されたMATHUSLA検出器は、元の200 m × 200 m設計と同等の長寿命粒子（LLP）の物理的到達範囲を達成できるか？
• RQ2 改善された検出器の近接性と幾何学的配置は、小スケールの固有崩壊長（cτ）を持つLLPの感度にどのように影響するか？
• RQ3 新しいMATHUSLA構成における大気およびLHC由来ニュートリノ背景の予想発生率はどの程度で、それらは効果的に抑制可能か？
• RQ4 SiPM読み取りを用いた押出成形スチロールバーの導入は、従来のRPCと比較してコスト削減と運用耐障害性の向上を実現できるか？
• RQ5 MATHUSLAは、大気圏上層シャワーおよびペブトンスケール粒子の研究に、高精度な宇宙線望遠鏡としてどの程度活用可能か？

主な発見

• LHC Point 5の20 m地下に位置する100 m × 100 m、高さ25 mのMATHUSLA検出器は、元の200 m × 200 m設計と同等の物理的到達範囲を、大cτのLLPに対して達成している。
• 新しい設置位置により、CMS衝突点に近づいたことで、ずれた頂点の再構築効率が向上し、小cτのLLPに対する感度が向上している。
• 大気ニュートリノ背景はMATHUSLA100体積内で年間約30件と推定され、2本のトラックがβ > 0.8を満たすカットを適用することで1年あたり1件未満にまで低減可能である。
• LHC由来ニュートリノ背景は極めて低く、3000 fb⁻¹の統合放射線量で0.52件未満と予想され、同じ運動量カットにより約0.01件にまで低減される。
• 押出成形スチロールバーとSiPM読み取りを用いた新しい検出器技術により、低電圧運用が可能になり、グリーンハウスガスの使用が排除され、製造が簡素化されコスト削減が実現される。
• 密集した大気圏上層シャワー核の再構築を向上させるために、ハイブリッドデジタルアナログRPC層へのアップグレードが検討中であり、宇宙線科学の確実な物理的成果を支援する。