[論文レビュー] The FASER Detector

FASER Collaboration, H. Abreu+98 more|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2022

Particle Detector Development and Performance被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、CERNのLHCにおけるFASER検出器の設計、製作およびコンMISSIONINGを提示する。この検出器は、前方領域に生成される長寿命で弱い力で相互作用する粒子を探索することを最適化しており、FASER𝜈サブ検出器を用いてニュートリノを検出する。検出器はATLASの衝突点から480 m下流に設置されており、トラッキングスペンサーモーター、シンチレーション器、コロニメーター、磁石系を備え、宇宙線およびパイロットビームによるコンMISSIONINGにおいて、0.5%未塔の非稼働チャンネルと優れた時間分解能を示し、LHCラン3における物理データ取得が可能であることを実証した。

ABSTRACT

FASER, the ForwArd Search ExpeRiment, is an experimentdedicated to searching for light, extremely weakly-interactingparticles at CERN's Large Hadron Collider (LHC). Such particlesmay be produced in the very forward direction of the LHC'shigh-energy collisions and then decay to visible particles insidethe FASER detector, which is placed 480 m downstream of the ATLASinteraction point, aligned with the beam collisions axis. FASER alsoincludes a sub-detector, FASERν, designed to detect neutrinosproduced in the LHC collisions and to study their properties. Inthis paper, each component of the FASER detector is described indetail, as well as the installation of the experiment system and itscommissioning using cosmic-rays collected in September 2021 andduring the LHC pilot beam test carried out in October 2021. FASERhas successfully started taking LHC collision data in 2022, and willrun throughout LHC Run 3.

研究の動機と目的

• LHC陽子-陽子衝突の極めて小さな角度で生成される長寿命で弱い力で相互作用する粒子を同定できる検出器システムの設計および製作。
• LHC衝突で生成される全フレーバーのニュートリノを検出・研究するための、専用のセルロイドベースのサブ検出器（FASER𝜈）の開発。
• LHCトンネルの過酷な環境（放射線および空間制約を含む）において、安全かつ信頼性の高い運用を確保すること。
• ラン3におけるデータ取得の前段階として、宇宙線およびLHCパイロットビームを用いた、全検出器システムのコンMISSIONING。
• 物理運用開始前に、トラッキング、コロニメーター、時間測定、トリガ、データ取得の各サブシステムが性能仕様を満たしているかの検証。

提案手法

• FASER検出器は、トンネルTI12に位置し、ビーム軸に合わせて配置されており、非常に小さな角度で生成された粒子を捕捉する。
• 検出器は、3つの0.57 Tのドロイド磁石を備えたトラッキングスペクロメーター、崩壊領域、シンチレーション器の遮断および時間測定ステーション、プリシュアーシステム、電磁気的コロニメーターから構成される。
• トラッキングシステムは、ATLASの余剰SCTモジュールをトラッキングステーションに配置し、正確なアライメントとメトロロジーを用いて粒子の軌跡を再構成する。
• コロニメーターおよびシンチレーション器システムは、宇宙線およびパイロットビームデータを用いてキャリブレーションされ、ゲイン安定性のためのLEDベースのキャリブレーションが実施された。
• シンチレーション器およびコロニメーターからの信号に基づくトリガシステムにより、リアルタイムでのイベント選択が可能であり、DAQシステムは最大2 kHzまで処理可能であり、非稼働時間は5%未塔であることがテストされた。
• 電源、冷却、相互作用装置を含む、検出器制御および安全システムが実装され、長期にわたり安定かつ安全な運用を確保した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CERNのLHCサービストンネルに、コンactな前方指向の検出器を効果的に設置・コンMISSIONING可能であり、希少で長寿命で弱い力で相互作用する粒子を検出できるか？
• RQ2 高放射線環境および空間制限のある条件下で、磁場を有する高精度トラッキングスペクロメーターの性能はいかがであるか？
• RQ3 LHC衝突に典型的な高レート条件下で、シンチレーション器ベースのトリガおよびデータ取得システムはどの程度の効率で動作するか？
• RQ4 セルロイドベースの検出器（FASER𝜈）は、LHC環境下でニュートリノの衝突を十分な空間分解能および効率で検出・研究できるか？
• RQ5 マグネット、トラッキング、コロニメーターを含む全検出器システムは、設置前および現地でのコンMISSIONング段階で、設計仕様をどの程度満たしているか？

主な発見

• トラッカー・システムは、0.5%未塔の非稼働チャンネルを達成し、キャリブレーション済みのゲインおよびノイズレベルが設計仕様内であった。
• 宇宙線およびテストビーム測定において、シンチレーションカウンターの効率は99.9%を超えており、必要な性能の閾値を満たしていた。
• 時間測定シンチレーション器システムは、上部および下部のレイヤーで24–27 psの時間分解能を達成し、優れた時間性能を示した。
• 電磁気的コロニメーター・システムは、宇宙線およびパイロットビームデータにおいて、良好なエネルギー分解能および線形性を示し、設計の期待値と一致した。
• トリガおよびデータ取得システムは、トリガレートがほぼ2 kHzに達するまで、非稼働時間5%未塔で動作し、ラン3の目標である650 Hzを上回った。
• 全検出器システムは、宇宙線および2021年10月のLHCパイロットビームテスト中に数か月間安定して稼働し、ラン3における物理データ取得の準備が整っていることを確認した。