[论文解读] A Letter of Intent for MATHUSLA: a dedicated displaced vertex detector above ATLAS or CMS

C. Alpigiani, Austin Ball+62 more|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2018

Particle Detector Development and Performance被引用 5

一句话总结

本意向书提出MATHUSLA，一种安装在CERN的ATLAS或CMS探测器上方的专用位移顶点探测器，利用现有技术如电阻板室（RPCs）和闪烁体多极计时器，探测寿命长达毫秒的中性长寿命粒子（LLPs）。该探测器可实现对ATLAS和CMS探测范围之外的LLPs的探测灵敏度，具备发现新物理的潜力，并开展互补的宇宙射线物理研究。

ABSTRACT

In this Letter of Intent (LOI) we propose the construction of MATHUSLA (MAssive Timing Hodoscope for Ultra-Stable neutraL pArticles), a dedicated large-volume displaced vertex detector for the HL-LHC on the surface above ATLAS or CMS. Such a detector, which can be built using existing technologies with a reasonable budget in time for the HL-LHC upgrade, could search for neutral long-lived particles (LLPs) with up to several orders of magnitude better sensitivity than ATLAS or CMS, while also acting as a cutting-edge cosmic ray telescope at CERN to explore many open questions in cosmic ray and astro-particle physics. We review the physics motivations for MATHUSLA and summarize its LLP reach for several different possible detector geometries, as well as outline the cosmic ray physics program. We present several updated background studies for MATHUSLA, which help inform a first detector-design concept utilizing modular construction with Resistive Plate Chambers (RPCs) as the primary tracking technology. We present first efficiency and reconstruction studies to verify the viability of this design concept, and we explore some aspects of its total cost. We end with a summary of recent progress made on the MATHUSLA test stand, a small-scale demonstrator experiment currently taking data at CERN Point 1, and finish with a short comment on future work.

研究动机与目标

• 解决由于触发和本底限制，ATLAS和CMS无法探测寿命超过其能力范围的中性长寿命粒子（LLPs）这一关键问题。
• 开发一种成本低廉、模块化的探测器，采用现有技术——特别是RPCs和闪烁体多极计时器——并兼容HL-LHC升级时间表。
• 在隐藏山谷和希格斯玻色子门户等基准模型中，实现对LLPs的高灵敏度搜索，探测范围扩展数个数量级。
• 在CERN点1建立一个宇宙射线望远镜，用于研究超高能宇宙射线和天体物理现象。
• 通过在CERN点1搭建测试平台，利用真实数据验证探测器概念，包括触发和追踪性能。

提出的方法

• 采用模块化结构，以电阻板室（RPCs）作为主要追踪技术，源自Argo-YBJ实验，并经修改可在ATLAS RPC气体混合物中以放电模式运行。
• 实施双层闪烁体多极计时器系统（上下两层），采用梯形形状的BICRON 404A闪烁体，结合波长位移光纤进行光收集。
• 设计两级触发系统：基于上下两层闪烁体层之间的时间符合，实现对向上和向下运动粒子的触发，并引入飞行时间校正。
• 采用标准VME架构的商用电子设备进行数据获取，接收卡负责数字化RPC感测器的多路信号和时间信息。
• 在CERN点1集成测试平台，使用DØ实验和Argo-YBJ RPC的组件，以验证触发逻辑和追踪效率。
• 开展本底研究和重建模拟，以指导最终探测器几何结构的设计，并优化对LLP信号的灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 模块化、低成本的位移顶点探测器是否能显著扩展中性长寿命粒子（LLPs）的探测范围，超越ATLAS和CMS的能力？
• RQ2 MATHUSLA对Higgs门户和隐藏山谷等基准LLP模型的灵敏度如何，特别是对长寿命中性粒子的探测能力？
• RQ3 所提出的基于闪烁体多极计时器和RPC的触发系统，在高效识别向上和向下运动的带电粒子方面效果如何？
• RQ4 CERN点1的测试平台在真实束流条件下，能在多大程度上验证RPC和闪烁体等关键组件的性能？
• RQ5 MATHUSLA作为宇宙射线望远镜，在探测超高能宇宙射线和天体物理现象方面具有多大潜力？

主要发现

• MATHUSLA测试平台成功利用DØ闪烁体和Argo-YBJ型RPC验证了触发逻辑和追踪性能，数据获取和时间分辨率已在真实环境中得到验证。
• 来自Argo-YBJ实验的RPC可在ATLAS RPC气体混合物中以15%氩气添加的方式运行于放电模式，无需额外气体系统。
• 该探测器概念对LLP衰变产生的位移顶点具有高效率探测能力，灵敏度可延伸至数毫秒量级的LLP寿命。
• 本底研究显示，MATHUSLA对中性LLP可实现极低或零本底，从而具备超越当前LHC实验的发现潜力。
• 采用现有技术的模块化设计使探测器可在HL-LHC时间表内实现低成本部署，预计成本因地点而异但合理。
• 测试平台已成功运行完整的触发与数据获取链路，数据采集持续至CERN Run-2结束。