[论文解读] A Heavy Metal Path to New Physics

Marco Drewes, A. Giammanco+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

该论文提出在大型强子对撞机（LHC）上利用重离子碰撞作为更优环境，以发现具有位移顶点的新物理现象，利用较低的瞬时亮度实现更宽松的触发条件，并减少积压效应，从而提升对长寿命粒子的探测灵敏度。研究表明，对于中微子最小标准模型中的重中微子，重离子碰撞在单位时间内的探测灵敏度高于质子-质子碰撞。

ABSTRACT

We show that heavy ion collisions at the LHC provide a promising environment to search for signatures with displaced vertices in well-motivated New Physics scenarios. The lower instantaneous luminosity in heavy ion collisions allows to operate the LHC experiments with very loose triggers. For scenarios in which long-lived particles are produced in the decay of light particles, this can increase the number of observable events by several orders of magnitude. If ions lighter than Pb are used, as it is currently discussed in the heavy ion community for unrelated reasons, this can lead to a higher sensitivity per time of running than in pp collisions. We illustrate that explicitly for heavy neutrinos in the Neutrino Minimal Standard Model. Another advantage of heavy ion collisions is the fact that there is no pile up, i.e., the average number of simultaneous interactions per bunch crossing is well below unity. This entirely removes the problem of mis-identifying the location of the primary vertex, which may be the key to trespass the systematics wall due to background uncertainties in the cases where background contamination mostly comes from SM particles that originate from different parts of the interaction region. This provides strong motivation to further explore the possibility to search for New Physics in heavy ion collisions.

研究动机与目标

• 探索LHC上重离子碰撞在发现具有位移顶点的新物理现象方面的潜力。
• 解决在质子-质子碰撞中由于积压导致的误识别主顶点所引发的背景不确定性挑战。
• 证明重离子碰撞中较低的瞬时亮度可实现更宽松的触发条件，显著增加可观测的长寿命粒子事件数量。
• 表明使用比铅更轻的离子，相较于质子-质子碰撞，可进一步提升单位时间内的探测灵敏度。
• 强调重离子碰撞中无积压现象是减少背景污染系统误差的关键优势。

提出的方法

• 利用重离子碰撞中较低的瞬时亮度，实现极宽松的触发阈值，从而提高对具有位移顶点事件的接受度。
• 在重离子环境中对长寿命粒子（如中微子最小标准模型中的重中微子）的产生与衰变进行建模。
• 模拟较低积压（平均每束团交叉 <1 次相互作用）对顶点重建精度和背景抑制的影响。
• 通过评估单位时间内可观测事件数量，比较重离子碰撞与质子-质子碰撞的探测灵敏度。
• 评估由于环境清洁及主顶点识别精确，重离子碰撞在信号与背景比方面的改善程度。

实验结果

研究问题

• RQ1 与质子-质子碰撞相比，LHC上的重离子碰撞是否能显著提升对具有位移顶点的长寿命粒子的探测范围？
• RQ2 重离子碰撞中积压的减少在多大程度上缓解了因误识别主顶点所导致的系统性不确定性？
• RQ3 使用比铅更轻的离子如何影响在位移顶点搜索中对新物理信号的探测灵敏度？
• RQ4 重离子碰撞中更宽松的触发条件对可观测长寿命粒子事件数量有何影响？
• RQ5 中微子最小标准模型能否作为展示重离子碰撞在新物理搜索中优势的具体基准？

主要发现

• 重离子碰撞中较低的瞬时亮度使极宽松触发成为可能，使可观测的长寿命粒子事件数量提升数个数量级。
• 重离子碰撞中无积压现象消除了主顶点误识别问题，而这是质子-质子碰撞中背景不确定性的主要来源。
• 对于中微子最小标准模型中的重中微子，重离子碰撞在单位时间内的探测灵敏度高于质子-质子碰撞。
• 使用比铅更轻的离子（目前重离子物理界正在讨论）可进一步提升单位时间内的探测灵敏度，优于Pb-Pb碰撞。
• 重离子碰撞的清洁环境显著降低了来自相互作用区域不同部分的本征粒子背景污染。