[论文解读] An Update to the Letter of Intent for MATHUSLA: Search for Long-Lived Particles at the HL-LHC

C. Alpigiani, J. C. Arteaga-Velázquez+81 more|arXiv (Cornell University)|Sep 3, 2020

Particle Detector Development and Performance被引用 5

一句话总结

本文更新了MATHUSLA探测器设计，用于在HL-LHC上搜索长寿命粒子（LLPs），提出在CMS对撞点附近地下20米处建造一个100 m × 100 m、高25 m的探测器。新设计在保持与原有200 m × 200 m设计相同的大cτ LLP物理探测能力的同时，通过靠近对撞点提升了对小cτ LLP的灵敏度，采用挤出型闪烁体棒结合波长位移光纤与硅光电倍增管，实现低电压、无绿house气体排放的稳定运行，并降低建造成本。

ABSTRACT

We report on recent progress in the design of the proposed MATHUSLA Long Lived Particle (LLP) detector for the HL-LHC, updating the information in the original Letter of Intent (LoI), see CDS:LHCC-I-031, arXiv:1811.00927. A suitable site has been identified at LHC Point 5 that is closer to the CMS Interaction Point (IP) than assumed in the LoI. The decay volume has been increased from 20 m to 25 m in height. Engineering studies have been made in order to locate much of the decay volume below ground, bringing the detector even closer to the IP. With these changes, a 100 m x 100 m detector has the same physics reach for large c$τ$ as the 200 m x 200 m detector described in the LoI and other studies. The performance for small c$τ$ is improved because of the proximity to the IP. Detector technology has also evolved while retaining the strip-like sensor geometry in Resistive Plate Chambers (RPC) described in the LoI. The present design uses extruded scintillator bars read out using wavelength shifting fibers and silicon photomultipliers (SiPM). Operations will be simpler and more robust with much lower operating voltages and without the use of greenhouse gases. Manufacturing is straightforward and should result in cost savings. Understanding of backgrounds has also significantly advanced, thanks to new simulation studies and measurements taken at the MATHUSLA test stand operating above ATLAS in 2018. We discuss next steps for the MATHUSLA collaboration, and identify areas where new members can make particularly important contributions.

研究动机与目标

• 通过优化MATHUSLA探测器设计以提升对位移顶点重建的长寿命粒子（LLP）搜索灵敏度。
• 通过用挤出型闪烁体棒配合波长位移光纤与硅光电倍增管（SiPMs）替代传统RPC，降低探测器成本并提高运行鲁棒性。
• 通过地下开挖将探测器更靠近CMS对撞点，提升对具有小固有衰变长度（cτ）的LLP的物理探测能力。
• 通过详细模拟与测试平台测量验证背景抑制策略，特别是对大气中微子与LHC产生的中微子。
• 利用MATHUSLA的大尺寸、高颗粒度追踪系统建立强大的宇宙射线科学计划，用于扩展空气簇射与PeV量级宇宙射线的测量。

提出的方法

• 探测器重新设计为在LHC第5号点（LHC Point 5）地下20米处建造的100 m × 100 m、高25 m的结构，以提升与对撞点的接近度并减少背景。
• 追踪系统采用挤出型闪烁体棒，通过波长位移光纤耦合硅光电倍增管（SiPMs）读出，实现低电压、无温室气体排放的运行。
• 背景研究使用GENIE v2.12.10详细模拟大气中微子在大气中的相互作用及最小偏差碰撞产生的LHC中微子。
• 中微子通量基于Fréjus实验测量结果，并重新加权以匹配预期入射到MATHUSLA探测器体积上的通量。
• 通过要求两个轨迹的β > 0.8且顶点重建指向对撞点的运动学切割，增强背景抑制。
• 正在评估将一层混合数字-模拟RPC升级，以改善对密集扩展空气簇射核心的重建，支持宇宙射线科学的确定性物理产出。

实验结果

研究问题

• RQ1 更小尺寸、地下布置的MATHUSLA探测器能否实现与原始200 m × 200 m设计相当的长寿命粒子（LLP）物理探测能力？
• RQ2 探测器改进的接近度与几何构型如何影响对具有小固有衰变长度（cτ）的LLP的灵敏度？
• RQ3 在新的MATHUSLA构型下，大气中微子与LHC产生的中微子背景的预期事件率是多少？能否有效抑制？
• RQ4 与传统RPC相比，使用挤出型闪烁体棒配合SiPM读出是否能降低探测器成本并提高运行鲁棒性？
• RQ5 MATHUSLA在多大程度上可作为高精度宇宙射线望远镜，用于扩展空气簇射与PeV量级粒子的科学研究？

主要发现

• 位于LHC第5号点地下20米处的100 m × 100 m、高25 m的MATHUSLA探测器，对大cτ LLP的物理探测能力与原始200 m × 200 m设计相当。
• 新探测器位置更靠近CMS对撞点，提升了对小cτ LLP的灵敏度，原因在于位移顶点重建效率更高。
• 大气中微子背景估计约为每年30个事件（在MATHUSLA100体积内），通过施加两个轨迹β > 0.8的切割可减少至每年少于1个事件。
• LHC产生的中微子背景极低，3000 fb⁻¹积分亮度下预期事件数少于0.52个，经相同运动学切割后进一步减少至约0.01个事件。
• 采用挤出型闪烁体棒与SiPM读出的新探测器技术可实现更低工作电压，消除温室气体使用，并简化制造流程以节省成本。
• 正在研究一种潜在的混合数字-模拟RPC层升级，以增强对密集扩展空气簇射核心的重建能力，支持宇宙射线科学的确定性物理产出。