[論文レビュー] Post-LS3 Experimental Options in ECN3

C. Ahdida, G. Arduini+48 more|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2023

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、CERNのECN3地下洞窟において、LS3後の実験的オプションを提案し、高強度のSPS陽子ビームを用いて、希少なカイオン崩壊および隠れたセクター物理学を研究する。主な3つのプロジェクト—HIKE、SHADOWS、BDF/SHiP—を詳細に提示し、ニュートリノ散乱、ダークマター探索、および特異な粒子検出を実施。物理的到達範囲は低スケールの新物理および改良されたPDF測定にまで及び、標準模型を超える新物理の探査を可能にする。

ABSTRACT

The Experimental Cavern North 3 (ECN3) is an underground experimental cavern on the CERN Prévessin site. ECN3 currently hosts the NA62 experiment, with a physics programme devoted to rare kaon decays and searches of hidden particles approved until Long Shutdown 3 (LS3). Several options are proposed on the longer term in order to make best use of the worldwide unique potential of the high-intensity/high-energy proton beam extracted from the Super Proton Synchrotron (SPS) in ECN3. The current status of their study by the CERN Physics Beyond Colliders (PBC) Study Group is presented, including considerations on beam requirements and upgrades, detector R&D and construction, schedules and cost, as well as physics potential within the CERN and worldwide landscape.

研究の動機と目的

• CERNのECN3地下洞窟におけるLong Shutdown 3（LS3）後の長期的実験的オプションを特定・評価し、SPSから得られる高強度・高エネルギー陽子ビームの独自の潜在能力を最大限に活用すること。
• 提案された実験の物理的ポテンシャル—希少なカイオン崩壊、隠れた粒子、ニュートリノ散乱—を評価し、とりわけ標準模型を超える低スケールの新物理を探査すること。
• 各提案実験の技術的実現可能性、ビーム要件、検出器研究開発、インfraストラクチャのアップグレード、スケジュール、コスト見積もりを評価すること。
• ECN3実験を世界的な高エネルギー物理学の分野において位置づけ、既存施設（EIC、FASERν、SHiP）と補完的であることを保証すること。
• ECN3の今後の利用に関するロードマップを提供し、ビーム共有戦略と既存CERN加速器インfraストラクチャへの統合を含めること。

提案手法

• LS3後の運用を想定し、3つの主要な実験的コンセプト—HIKE（High-Intensity Kaon Experiment）、SHADOWS（Search for Hidden particles and Oscillations in the Dark Sector）、BDF/SHiP（Beam Dump Facility/SHIP）—を提案する。
• 450 GeV/cのエネルギーで抽出されるSPS陽子ビーム（ピーク強度：約1.5×10¹³個/トレイン）を活用し、高精度な希少崩壊および隠れた粒子探索を可能にする。
• トロイド型トラッキング（エミュラッションベース）、液体アルゴンタイムプロジェクションチェンバー（ニュートリノ相互作用用）、ビームダンプ（ダークマターおよび長寿命粒子探索用）といった特殊な検出器を導入する。
• 高強度運用およびTCC8/ECN3地域におけるビーム安定性を確保するため、ビーム計測装置、真空システム、放射線防護、マシン保護システムを特化して設計する。
• TT20、P4、P42搬送ラインを通じて既存CERNインfraストラクチャと統合し、磁石、電源コンバータ、アライメントシステムの変更を加え、新たなビームラインを支援する。
• ニュートリノ相互作用率、PDF感度、磁気モーメント制約の推定に詳細なシミュレーションとモデリングを適用し、既存実験との運動量的重複を活用して妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ECN3における高強度SPSビームを用いた希少なカイオン崩壊および隠れたセクター粒子探索の物理的ポテンシャルは何か？
• RQ2 ECN3地下洞窟は、複数の高強度実験—特にビーム共有とインfraストラクチャ統合を含めて—をサポートするためにどのようにアップグレード可能か？
• RQ3 SHADOWSとSHiP SNDのニュートリノ構造関数、タウニュートリノ相互作用、磁気モーメントに対する期待感度は何か？
• RQ4 ECN3実験は、特に低xおよび高Q²領域における陽子および原子核の一部布関数（PDF）の制約をどの程度改善できるか？
• RQ5 HIKE、SHADOWS、BDF/SHiPをECN3に導入するにあたり、技術的要件、コスト、スケジュールは何か？

主な発見

• SHADOWS NaNuは約4.1×10³個のνₑおよび40×10³個のνμ相互作用を記録すると予想され、100件のντイベントが特定可能で、レプトンユニバーサリティの1%レベルでのテストが可能となる。
• SHiP SNDは約2.7×10⁶個のνₑおよび8.0×10⁶個のνμ相互作用を観測すると予想され、3,800件のντイベントが特定可能で、ντ磁気モーメントに対する感度が9×10⁻⁸ μBに達する。
• FASERν 2@FPFは、ニュートリノCC散乱における核標的での未開拓領域をカバーし、将来的なEIC測定と補完的であり、陽子および原子核PDFのx > 0.003領域を探査する。
• HIKE実験は、新物理の感度を10⁻⁹レベルにまで高め、レプトンフラバー不変性の破れや異常磁気モーメントの測定を狙う。
• BDF/SHiPは、ビームダンプを用いて長寿命粒子およびダークマターを検出する設計であり、Δm²₁₄ ≳ 10³ eV²のスカラー中性子の混合Uμ₄ ~ 10⁻²の範囲で、ステアリングニュートリノの振動に感度を持つ。
• ECN3ビームラインのアップグレード（TT20およびP42搬送ラインを含む）には、インfraストラクチャコストとして約15億CHFが要ると推定され、予備スケジュールは2035年まで延長される。