[论文解读] Letter of Intent for FASER: ForwArd Search ExpeRiment at the LHC

FASER Collaboration, A. Ariga+13 more|arXiv (Cornell University)|Nov 26, 2018

Particle Detector Development and Performance被引用 41

一句话总结

FASER 提议在 TI18 的 LHC 光束轴上距 IP 480 m 处放置一个小型、低成本探测器，以搜索来自 ATLAS 碰撞的轻型、弱耦合、寿命较长的粒子（LLP），聚焦于暗光子、ALP 和 CP-odd 标量。

ABSTRACT

FASER is a proposed small and inexpensive experiment designed to search for light, weakly-interacting particles at the LHC. Such particles are dominantly produced along the beam collision axis and may be long-lived, traveling hundreds of meters before decaying. To exploit both of these properties, FASER is to be located along the beam collision axis, 480 m downstream from the ATLAS interaction point, in the unused service tunnel TI18. We propose that FASER be installed in TI18 in Long Shutdown 2 in time to collect data from 2021-23 during Run 3 of the 14 TeV LHC. FASER will detect new particles that decay within a cylindrical volume with radius R= 10 cm and length L = 1.5 m. With these small dimensions, FASER will complement the LHC's existing physics program, extending its discovery potential to a host of new particles, including dark photons, axion-like particles, and other CP-odd scalars. A FLUKA simulation and analytical estimates have confirmed that numerous potential backgrounds are highly suppressed at the FASER location, and the first in situ measurements are currently underway. We describe FASER's location and discovery potential, its target signals and backgrounds, the detector's layout and components, and the experiment's preliminary cost estimate, funding, and timeline.

研究动机与目标

• 推动在 LHC 上建立一个小型、低成本的前向探测器，以搜索轻型、弱耦合的 LLPs。
• 建议将探测器放置在 TI18，距 ATLAS 向下游 480 m，以利用前向产量和较长寿命。
• 描述探测器布局、组成、背景抑制，以及 Run 3 数据采集（2021–2023） 的初步成本与时间表。
• 评估针对特定模型（暗光子、ALP、CP-odd 标量）的发现潜力，并与其他实验进行比较。

提出的方法

• 在 TI18 的束轴上放置一个衰减体积探测器，半径 10 cm、长度 1.5 m，距 IP 480 m，使用 0.5 T 永磁偶极磁铁来分离 LLP 衰变产物。
• 在磁场中使用包含 8–10 层硅带跟踪器的跟踪系统，以测量带电粒子动量并分离共线的衰变产物。
• 使用闪烁体排斥层和铅基光子转换器来抑制背景并提供触发和时间信息。
• 整合一个电磁卡洛里计（LHCb ECAL 模块）来识别高能电子和光子，可能配备高粒度预淋浴用于光子分离。
• 运行基于 Geant4 的仿真来建模信号与背景，并在 ATLAS ACTS 框架内开发轨迹寻找与重建算法。
• 估计信号效率，并研究选择标准对探测前景的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 Run 3 的 14 TeV、150 fb^-1 条件下，FASER 能探测暗光子、ALP 和 CP-odd 标量参数空间的哪些区域？
• RQ2 在 TI18 位置，背景（与μ子相关的辐射过程、中微子相互作用）的抑制程度如何，以及哪些数据驱动方法可以验证它们？
• RQ3 探测器在衰变体积内识别 LLP 衰变为带电对或光子的效率预期是多少？
• RQ4 探测器配置（磁场、跟踪器间距、排除层）如何影响 LLP 衰变产物的动量和角分辨率？

主要发现

• 在 Run 3 的 14 TeV、150 fb^-1 下，FASER 能探测暗光子、ALP 和 CP-odd 标量的新参数空间区域（如灵敏度投影所示）。
• 预计在 FASER 位置背景将高度被抑制，μ子相关辐射过程和中微子相互作用是主要关注因素，通过排除层和前向几何结构来缓解。
• 探测器设计实现来自 LLP 衰变的两个高能粒子信号（两条带相对手性相反的轨迹或两枚光子），能量级为 TeV 量级，有助于强背景抑制。
• 紧凑的衰变腔体（R = 10 cm, L = 1.5 m）结合 0.5 T 磁铁和高精度硅跟踪，提供足够的轨迹分离和 LLP 衰变产物的动量测量。
• 一个潜在的升级，FASER 2（R = 1 m, L = 5 m，在 HL-LHC 的 3 ab^-1 条件下运行），将显著扩大灵敏度，特别是对更大质量的探测。
• 本研究给出初步成本估算、资金因素，以及在 LHC LS2 期间安装并在 Run 3 收集数据的时间表。