[论文解读] First neutrino interaction candidates at the LHC

FASER Collaboration, H. Abreu+74 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 29被引用 85

一句话总结

本论文报告了利用安装在大型强子对撞机（LHC）ATLAS探测器远向前方区域的原型乳胶探测器，在LHC运行2期间首次直接探测到中微子相互作用候选事例。该实验是FASERν项目的一部分，在13 TeV质子-质子碰撞中观测到了12.2 fb⁻¹的中微子相互作用，标志着高能中微子物理学的重要里程碑，并验证了未来在TeV能量下进行对撞机中微子测量的可行性。

ABSTRACT

FASER$ u$ at the CERN Large Hadron Collider (LHC) is designed to directly detect collider neutrinos for the first time and study their cross sections at TeV energies, where no such measurements currently exist. In 2018, a pilot detector employing emulsion films was installed in the far-forward region of ATLAS, 480 m from the interaction point, and collected 12.2 fb$^{-1}$ of proton-proton collision data at a center-of-mass energy of 13 TeV. We describe the analysis of this pilot run data and the observation of the first neutrino interaction candidates at the LHC. This milestone paves the way for high-energy neutrino measurements at current and future colliders.

研究动机与目标

• 首次在LHC中直接探测对撞机中微子，此前在TeV能量下尚无此类测量。
• 验证利用核乳胶技术在强子对撞机远向前方区域探测高能中微子的可行性。
• 测量本底水平并为即将部署的完整FASERν探测器开发重建工具。
• 弥合加速器基中微子实验（Eν < 360 GeV）与高能天体物理测量（Eν > 6.3 TeV）之间的能量空白，特别是针对μ中微子。
• 展示FASERν和SND@LHC等前向探测器通过高能中微子相互作用探测新物理的潜力。

提出的方法

• 在ATLAS相互作用点下游480米处安装了一台29公斤重的原型探测器，由101块铅板和120块钨板交替排列，并夹在0.3毫米厚的核乳胶片之间。
• 探测器使用了NA65/DsTau实验的备用组件，并采用真空包装以保持胶片对齐并最小化热漂移。
• 数据在LHC运行2期间采集了4周，对应于√s = 13 TeV下的12.2 fb⁻¹积分亮度。
• 通过高分辨率扫描和模式识别技术，在乳胶片中重建带电粒子轨迹以识别中微子相互作用。
• 使用CRMC结合EPOS-LHC、QGSJET-II-04、Sibyll 2.3c和DPMJET-III模拟了来自前进强子衰变（π介子、K介子、D介子）的中微子产生，随后利用专用的Rivet模拟程序进行束流光学传播模拟。
• 通过FLUKA模拟估算μ子通量，在409米处、以束流轴为中心的1 m × 1 m区域内，峰值速率为约10⁷个μ子/平方米/千平坦。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在类似LHC的高亮度、高能强子对撞机环境中直接观测到中微子相互作用？
• RQ2 在辐射长度有限（0.6λint）的前向乳胶探测器中，中微子相互作用的本底水平和可探测性如何？
• RQ3 原型探测器的数据能否用于开发并验证未来高精度中微子测量的重建工具？
• RQ4 FASERν位置的预期中微子通量和相互作用率是多少？与现有加速器和天体物理测量相比如何？
• RQ5 在高多重性、高本底环境中，基于乳胶的探测器在多大程度上能分辨中微子相互作用顶点？

主要发现

• FASERν原型探测器成功在LHC中首次观测到中微子相互作用候选事例，证实了直接对撞机中微子探测的可行性。
• 探测器在13 TeV质心能量下收集了12.2 fb⁻¹的质子-质子碰撞数据，不确定性为2%。
• 尽管原型探测器的辐射长度仅为0.6λint，远短于完整FASERν探测器的8λint，但仍成功实现了中微子相互作用的探测。
• 分析表明，高分辨率乳胶片扫描技术可在高本底环境中识别出中微子相互作用产生的带电粒子轨迹。
• 观测到的中微子相互作用候选事例与来自前进强子衰变的模拟中微子事件一致，验证了FASERν所用模拟框架的可靠性。
• 结果为即将部署的完整FASERν探测器奠定了关键基础，该探测器将测量TeV能量范围内尚未被探索的中微子截面。