[논문 리뷰] Technical Proposal for FASER: ForwArd Search ExpeRiment at the LHC

FASER Collaboration, A. Ariga외 34명|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 21.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 26인용 수 84

한 줄 요약

이 논문은 ATLAS IP에서 TI12로부터 480 m 떨어진 위치에 FASER 실험을 설치하여 빛이고 상호작용이 약한 LLP를 탐색하는 것을 제안하며, 탐지기 구성요소, 환경, 비용 및 일정 포함 구현 계획을 기술한다.

ABSTRACT

FASER is a proposed small and inexpensive experiment designed to search for light, weakly-interacting particles during Run 3 of the LHC from 2021-23. Such particles may be produced in large numbers along the beam collision axis, travel for hundreds of meters without interacting, and then decay to standard model particles. To search for such events, FASER will be located 480 m downstream of the ATLAS IP in the unused service tunnel TI12 and be sensitive to particles that decay in a cylindrical volume with radius R=10 cm and length L=1.5 m. FASER will complement the LHC's existing physics program, extending its discovery potential to a host of new, light particles, with potentially far-reaching implications for particle physics and cosmology. This document describes the technical details of the FASER detector components: the magnets, the tracker, the scintillator system, and the calorimeter, as well as the trigger and readout system. The preparatory work that is needed to install and operate the detector, including civil engineering, transport, and integration with various services is also presented. The information presented includes preliminary cost estimates for the detector components and the infrastructure work, as well as a timeline for the design, construction, and installation of the experiment.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 ATLAS/CMS의 능력을 넘어 빛나고 약하게 상호작용하는 입자에 대한 보완적인 탐색의 필요성을 동기화한다.
• ATLAS 상호작용 지점으로부터 빔 라인을 따라 480 m 떨어진 위치에 있는 소형의 비용 효율적인 탐지기를 이용하여 LLP의 붕괴를 포착한다.
• 탐지기 구성요소(자석, 트래커, 신틸레이터, 칼로리미터)와 트리거/리드아웃 및 통합 필요성을 개요한다.
• 유효 탐지 환경(유입 입자 플럭스, 방사선, 온도, 진동) 및 토목/시행 준비 필요성을 평가한다.
• 설계, 시공, 설치 및 시운전을 위한 예비 비용 추정 및 일정표를 제공한다.

제안 방법

• 0.5 T 영구 자석 붕괴 부피와 10 cm 반지름의 탐지 구역을 제시하고, 그 뒤에 추적 스펙트로메터와 전자 칼로리미터를 배치한다.
• FLUKA 시뮬레이션과 TI18/TI12의 현장 측정을 사용하여 입자 플럭스와 배경을 정량화하고 모델을 검증한다.
• 빔 구성(교차 각도, 발산, 채움 방식)이 LOS 및 수용도에 미치는 영향을 분석한다.
• 트리거 및 리드아웃 시스템, 데이터 수집, 정렬/보정 전략을 설명한다.
• 토목 공학, 설치, 통합, 안전 및 시운전 계획을 개요한다.
• 전체 탐지기 및 인프라에 대한 예비 비용 산정 및 일정 계획을 제시한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Run 3 LHC 조건에서 FASER의 빛나고 약하게 상호작용하는 입자들(예: 다크 포톤, 다크 힉스, 무거한 중성 렙톤, 축시온 유사 입자)에 대한 민감도는 무엇인가?
• RQ2 FASER 위치에서의 예상 배경율과 입자 플럭스는 무엇이며, 이것이 신호 효율 및 트리거에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 LHC 빔 매개변수(교차 각도, 발산, 채움 방식)가 LOS, 수용도 및 물리학적 도달 범위에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 Long Shutdown 2 기간 중 TI12에 FASER를 설치하고 시운전하는 실용적 타당성, 비용 및 일정은 어떻게 되는가?

주요 결과

• FLUKA 시뮬레이션은 Run 3 운용에서 E>10 GeV의 경우 FASER를 통한 하전 입자 플럭스가 약 0.40 cm^-2 s^-1, E>100 GeV에서 0.20 cm^-2 s^-1, E>1000 GeV에서 0.06 cm^-2 s^-1로 예측한다.
• TI12에서의 현장 흑연 측정(주요 피크)은 (1.9–3.0)×10^4 fb cm^-2의 플럭스를 보이며, 이는 FLUKA 예측( E>10 GeV의 경우 2.0×10^4 fb cm^-2)와 잘 일치한다.
• 은테르를 통해 측정된 주된 각도 피크 너비는 2.3 mrad로, 고에너지 입자들이 ATLAS IP 방향에서 다중 산란 없이 들어오는 것을 나타낸다.
• 방사선 환경 추정치는 연간 5×10^-3 Gy 미만의 선량과 1 MeV 중성자 등가 플루언스가 연간 5×10^7 미만으로, 비방사선-강한 전자기 소자와 호환된다.
• TI12는 터널 기하학 및 바닥 낮춤으로 인해 TI18보다 더 긴 탐지기(~5 m) 설치가 가능하여 LLP 붕괴에 대한 감도가 향상된다.
• TI12에서의 측정된 방사선 및 플럭스 측정은 시뮬레이션과 일치하며 비방사선-강한 전자기 소자 및 전체 탐지기 설계의 실현 가능성을 뒷받침한다.