[论文解读] First Measurement of the Muon Neutrino Interaction Cross Section and Flux as a Function of Energy at the LHC with FASER

FASER Collaboration, Roshan Mammen Abraham+108 more|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2024

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 2

一句话总结

本论文首次在TeV能量范围内，利用LHC上13.6 TeV质子-质子对撞的65.6 fb⁻¹数据，实现了对μ子中微子带电流相互作用截面及通量的微分测量。FASER探测器识别出338.1 ± 21.0个μ子中微子事例，实现了能量依赖截面与通量的同步提取，结果与标准模型预测一致，并解析了来自π介子和K介子衰变的贡献。

ABSTRACT

This Letter presents the measurement of the energy-dependent neutrino-nucleon cross section in tungsten and the differential flux of muon neutrinos and antineutrinos. The analysis is performed using proton-proton collision data at a center-of-mass energy of 13.6 TeV and corresponding to an integrated luminosity of (65.6±1.4) fb$^{-1}$. Using the active electronic components of the FASER detector, 338.1±21.0 charged current muon neutrino interaction events are identified, with backgrounds from other processes subtracted. We unfold the neutrino events into a fiducial volume corresponding to the sensitive regions of the FASER detector and interpret the results in two ways: (i) we use the expected neutrino flux to measure the cross section, and (ii) we use the predicted cross section to measure the neutrino flux. Both results are presented in six bins of neutrino energy, achieving the first differential measurement in the TeV range. The observed distributions align with standard model predictions. Using this differential data, we extract the contributions of neutrinos from pion and kaon decays.

研究动机与目标

• 测量在固定靶或天体物理实验此前未探索过的TeV能量范围内μ子中微子的能量依赖带电流相互作用截面。
• 确定在LHC质子-质子对撞中产生的μ子中微子和反中微子的微分通量。
• 通过展开的事例分布，区分来自π介子和K介子衰变的中微子贡献。
• 验证在新能量区域中测量的截面与通量与标准模型预测的一致性。
• 通过展示FASER探测器在TeV能量范围内实现精密测量的可行性，为未来对撞机中微子物理奠定基础。

提出的方法

• FASER探测器位于ATLAS对撞点下游480 m处，使用钨板和乳胶胶片作为靶材，电子学组件用于事例识别。
• 通过时间、阻尼闪烁体中的电荷沉积以及追踪谱仪中的轨迹重建来选择中微子事例，背景通过电荷和动量特征进行抑制。
• 采用基于似然的展开方法，从观测事例中重建真实的中微子能量分布，校正探测器响应与接受度。
• 执行两种互补拟合：一种使用模拟通量提取截面，另一种使用模拟截面提取通量，均在六个−L/Eν能量区间内进行。
• 采用带高斯先验形状不确定性的χ²拟合，确定来自π介子和K介子衰变的中微子比例， charm贡献固定为模拟值。
• 使用包含统计与系统不确定性的约束χ²函数，对通量与截面进行联合拟合。

实验结果

研究问题

• RQ1 在LHC的360 GeV至6.3 TeV能量范围内，μ子中微子的能量依赖带电流截面是多少？
• RQ2 在13.6 TeV质子-质子对撞中产生的μ子中微子和反中微子的微分通量是多少？
• RQ3 在TeV能量区域的中微子通量中，π介子和K介子衰变的贡献如何比较？
• RQ4 在该能量区域中，测量的截面与通量与标准模型预测的一致程度如何？
• RQ5 FASER探测器是否具备足够的灵敏度与分辨率，以实现TeV能量范围内对撞机中微子的精密测量？

主要发现

• 在所有六个−L/Eν能量区间内，测量的μ子中微子带电流截面与标准模型预测一致，未观察到显著偏离。
• 首次在TeV能量范围内测量了μ子中微子和反中微子的微分通量，最高通量出现在100–300 GeV能量区间（5.5 ± 1.7 × 10⁶ fb⁻¹ cm²）。
• 利用展开的中微子相互作用事例数，提取出来自π介子衰变的贡献为802.0 ± 131.8个事例，来自K介子衰变的贡献为326.6 ± 100.9个事例，表明π介子贡献占主导。
• 在100–300 GeV能量区间内，有效截面测量值为292.2 ± 17.6 × 10⁻³⁸ cm²/核子，与模拟和先前模型一致。
• 通量与截面测量的系统不确定性主要来源于中微子产生与相互作用形状的生成器依赖建模。
• 结果证明了利用FASER探测器在LHC上实现对撞机中微子精密物理的可行性，为高能中微子相互作用开启了新的研究窗口。