[论文解读] CMS-XSEN: LHC Neutrinos at CMS. Experiment Feasibility Study

S. Buontempo, G. M. Dallavalle+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 12, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 10

一句话总结

本文提出了CMS-XSEN，一项在LHC上为紧凑型中微子探测器进行可行性研究的项目，旨在研究质子-质子碰撞产生的高能中微子。该探测器位于CMS相互作用点前方25米处，靠近Q1聚焦磁铁，受HF电磁量能器和前向屏蔽保护，可在300 fb⁻¹的亮度下观测到超过1,000次τ中微子相互作用以及约100次TeV量级中微子相互作用，从而实现4 < |η| < 5赝快度范围内中微子截面的测量，该区域τ中微子通量显著增强。

ABSTRACT

We discuss a CMS eXtension for Studying Energetic Neutrinos (CMS-XSEN). Neutrinos at the LHC are abundant and have unique features: their energies reach out to the TeV range, and the contribution of the τ flavour is sizeable. The measurement of their interaction cross sections has much physics potential. The pseudorapity range 4

研究动机与目标

• 评估在LHC质子-质子碰撞中探测高能中微子的可行性，特别是针对τ中微子通量增强的4 < |η| < 5赝快度区域。
• 评估在TeV能量下测量中微子相互作用截面的潜力，该能区具有重大的物理研究前景。
• 设计一种紧凑且成本可控的探测器，能够在恶劣的LHC环境中生存并准确测量中微子相互作用。
• 识别并缓解主要背景源，尤其是来自相互作用点的快中微子和由机器引起的背景。
• 提出在2018年LHC运行期间，基于核乳剂的小型中微子实验演示装置的测试阶段。

提出的方法

• 在LHC隧道中，将一个4.1×10²⁷ nucleons/cm²的探测器放置在CMS相互作用点前方25米处，靠近Q1聚焦磁铁。
• 利用现有的HF强子量能器和CMS前向屏蔽结构，保护探测器免受碰撞碎片和辐射的损害。
• 利用2021–2023年LHC运行期间预期的300 fb⁻¹高亮度，以获得足够的中微子相互作用统计量。
• 通过b夸克和c夸克衰变产生的中微子通量进行建模，特别是通过胶子和W玻色子的轻子衰变，这些过程在4 < |η| < 5区域显著增强了τ中微子成分。
• 通过模拟估算背景，包括快中微子和机器引起的背景，同时考虑其空间和时间上的变化。
• 提出在2018年进行一次简短的测试阶段，利用基于核乳剂的小型中微子实验演示装置，以验证关键探测原理。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在Q1磁铁附近、LHC隧道内成功部署紧凑型中微子探测器，以探测质子-质子碰撞产生的高能中微子？
• RQ2 在300 fb⁻¹亮度下，τ中微子及其他味型中微子在4 < |η| < 5赝快度范围内的预期相互作用率是多少？
• RQ3 来自相互作用点的快中微子和机器引起的背景在所提议探测器位置的显著程度如何？能否有效缓解？
• RQ4 基于核乳剂的小型演示装置是否能在2018年LHC运行期间提供可靠校准和验证数据？
• RQ5 此类探测器在TeV能量下测量中微子截面的潜力如何，特别是针对τ味型中微子？

主要发现

• 在300 fb⁻¹亮度下，所提议的探测器可在4 < |η| < 5赝快度范围内观测到超过1,000次τ中微子相互作用。
• 预计可探测到约100次所有味型的TeV量级中微子相互作用，从而实现高精度截面测量。
• 由于b夸克和c夸克衰变中产生的W玻色子的轻子衰变贡献，τ中微子通量在4 < |η| < 5区域显著增强。
• 来自相互作用点的快中微子是主要背景源，但由于CMS磁铁和前向屏蔽结构的影响，其在探测器区域的通量尚不明确。
• 机器引起的背景沿和远离光束线快速变化，增加了背景建模的复杂性。
• 提议在2018年进行一次简短测试，利用基于核乳剂的小型中微子实验演示装置，以积累运行经验并验证探测技术。