[论文解读] ANUBIS: Proposal to search for long-lived neutral particles in CERN service shafts

Martin Bauer, O. Brandt+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 18被引用 31

一句话总结

ANUBIS 提出通过在 CERN ATLAS 实验的现有 56 米深 PX14 服务竖井中安装追踪站，来搜寻长寿命中性粒子。通过利用现有基础设施，ANUBIS 在 $m_{\text{LLP}} \gtrsim 1$ GeV 条件下，将寿命敏感度提升 2–3 个数量级（最高达 $c\tau \sim 10^6$ m），优于当前及未来的 MATHUSLA 和 CODEX-b 实验，且成本仅为后者的几分之一。

ABSTRACT

Long-lived particles are predicted by many extensions of the Standard Model and have been gaining interest in recent years. In this Letter we present a competitive proposal that substantially extends the sensitivity in lifetime by instrumenting the existing service shafts above the ATLAS or CMS experiments with tracking stations. For scenarios with electrically neutral long-lived particles with $m \gtrsim 1$~GeV, the lifetime reach is increased by 2-3 orders of magnitude compared to currently operating and approved future experiments at the LHC. A detector design proposal is outlined along with projected costs.

研究动机与目标

• 为解决 $c\tau > 10^2$ m 的长寿命中性粒子（LLPs）在 $m_{\text{LLP}} \gtrsim 1$ GeV 时的探测敏感度空白。
• 利用 CERN 未充分利用的预开挖服务竖井（如 ATLAS 的 PX14）实现大体积、低成本的 LLP 探测。
• 通过最小化土木工程投入，扩展 LHC 对 LLP 的探测能力，超越当前在轴及离轴的 LLP 实验。
• 通过原型构建验证可行性，并实现探测器与 ATLAS 的集成。
• 提供一种成本低廉、可扩展的解决方案，用于探测奇异 Higgs 粒子衰变和暗物质 sector 模型。

提出的方法

• 在直径 18 米、长 56 米的 PX14 服务竖井中安装多个悬挂在竖井壁上的追踪站。
• 采用从 ATLAS 相互作用点延伸至上方 80 米的连续、投影式追踪几何结构，实现从 0 到 $10^6$ m 的 $c\tau$ 敏感度。
• 利用现有的 ATLAS 基础设施和触发系统，包括 10 $\mu$s 的 Level 0 触发延迟，实现数据采集的同步。
• 使用硅条形或像素探测器构建追踪站，也可考虑使用精细颗粒化的闪烁体探测器以降低成本。
• 通过完整追踪重建和顶点位移识别技术实现背景抑制。
• 基于 Higgs 玻色子衰变为 LLP 的基准模型（$h \to ss$），$m_s = 5, 10, 40$ GeV，进行敏感度预测。

实验结果

研究问题

• RQ1 CERN 现有且未使用的服务竖井是否可被重新利用，以实现对长寿命中性粒子的竞争力敏感度？
• RQ2 安装在 PX14 竖井中的探测器相较于当前及未来的 LLP 实验，其可实现的寿命敏感度（$c\tau$）如何？
• RQ3 ANUBIS 在不同 LLP 质量和寿命下，与 MATHUSLA 和 CODEX-b 的敏感度相比如何？
• RQ4 在预建竖井中部署大体积 LLP 探测器的预期成本和技术可行性如何？
• RQ5 背景水平是否可被充分控制，从而仅凭 4–50 个信号事例即可实现对罕见 LLP 衰变的发现？

主要发现

• 与当前运行及获批的未来 LHC 实验相比，ANUBIS 在 $m_{\text{LLP}} \gtrsim 1$ GeV 条件下，实现了 2–3 个数量级的寿命敏感度提升。
• 在 $c\tau \lesssim 10$ m 时，ANUBIS 的性能优于 MATHUSLA 实验；在 $c\tau \gtrsim 1$ m 时，其探测能力相比 ATLAS 显著扩展了多个数量级。
• 探测器的总仪器化面积为 2,320 m²，仅相当于 MATHUSLA 体积的约 1%，但其敏感度相当，且成本约为 10 M€。
• 在保守情景下，需 50 个信号事例才能获得证据，此时 $Br(h \to ss)$ 的证据阈值仅提高一个数量级。
• 将衰变体积扩展至 ATLAS 量能器外缘（距相互作用点约 10 米）可显著提升 $c\tau \lesssim 100$ m 时的发现能力。
• 通过为 LHC Run 3 规划的两单元原型（PX14 竖井底部和顶部）验证了可行性，可实现对机械结构、读出系统及背景挑战的验证。