[论文解读] MoEDAL-MAPP, an LHC Dedicated Detector Search Facility

J. L. Pinfold|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

MoEDAL-MAPP 提出建设一个专用的大型强子对撞机（LHC）探测器设施，用于寻找超出标准模型的高电离、弱相互作用且寿命较长的粒子。第一阶段升级将提升 MoEDAL 在 Run-3 和 HL-LHC 期间对毫电荷粒子和长寿命粒子的探测灵敏度。该项目已获 CERN 批准，将在 UA83 展厅内增设一台新探测器（MAPP-1），成本低于 100 万瑞士法郎，使 LHC 的新物理发现能力扩展至更高质量与更低截面的新物理场景。

ABSTRACT

During LHC's Run-2 the MoEDAL experiment, the LHC's first dedicated search experiment, took over 6 fb^-1 of data at IP8, with p-p and Pb-Pb collisions, operating with 100% efficiency. The LHCC has endorsed the LoI of the MoEDAL Collaboration describing an exciting program to expand the search for Highly Ionizing Particles (HIPs) in p-p and heavy-ion collisions to include feebly ionizing and Long Lived Particle (LLP) messengers of new physics (NP) at LHC's RUN-3 and eventually HL-LHC. In 2021, as part of Phase-1 of the program, the baseline MoEDAL detector was approved by CERN for reinstallation for Run-3 with increased efficiency, lower threshold, a factor of 5 increase in instantaneous luminosity, and, a higher Ecm. MoEDAL will continue the search for HIP avatars of NP with an emphasis on the search for massive, single and multiply electrically charged avatars of BSM physics arising from, eg, supersymmetry, neutrino mass models, L-R symmetry, etc. As part of Phase-1 of the MoEDAL-MAPP project CERN also approved in 2021 the installation of the MoEDAL Apparatus for Penetrating Particles (MAPP) in the UA83 tunnel 100m away from IP8. The MAPP detector has sensitivity to feebly-interacting particles with charge, or effective charge, as low as 10^-3e. Additionally, the MAPP detector, in conjunction with MoEDAL's trapping detector, gives us a unique sensitivity to charged LLPs. MAPP also has some sensitivity to neutral LLPs. In Phase-2 of the project we will instal the MAPP-2 upgrade for the HL-LHC. We envisage that this detector will be deployed in the UGC1 gallery near to IP8. This phase of the experiment is designed to ensure that MoEDAL-MAPP's sensitivity to neutral LLP messengers of BSM physics is competitive and complementary to other planned projects in this arena. Initial MoEDAL plans for the MEDICI facility at the 100 TeV FCC-hh machine will also be briefly presented.

研究动机与目标

• 通过寻找高电离粒子（HIPS）、弱相互作用粒子（FIPs）和长寿命粒子（LLPs），包括毫电荷粒子和磁单极子，扩展 LHC 超出标准模型的发现能力。
• 解决主要 LHC 实验在探测弱相互作用或长寿命新物理候选者方面未被优化的问题。
• 提供一种互补的、无需触发的、背景完全清除的探测系统，具备永久的物理信号记录，从而增强新发现的可信度。
• 通过分阶段升级（包括 MAPP-2 和 MEDICI 设施）开发一种成本低廉、可扩展的探测器基础设施，以适用于未来高能对撞机（如 FCC-hh）。
• 通过高电荷或大质量粒子，实现对超对称、L-R 对称模型以及中微子质量机制等新物理模型的探测灵敏度。

提出的方法

• 在距离 IP8 100 米的 UA83 展厅内安装 MAPP-1 探测器，使其在 Run-3 和 HL-LHC 期间可与 MoEDAL 并行运行。
• 采用无需触发、永久记录的探测系统，基于核径迹探测器和核乳剂，以捕捉稀有、长寿命或高电离事件。
• 通过降低探测阈值并提高瞬时亮度（提升五倍），增强对低截面和高质量子弹的探测灵敏度。
• 设计未来位于 IP8 附近 UGC1 展厅的 MAPP-2 探测器，配备专门的长寿命粒子衰变区，初步成本估算为 500 万至 600 万瑞士法郎。
• 为 FCC-hh 的未来 MEDICI 设施开发概念设计，包括开放相互作用点和 LLP 衰变区，并考虑部署 NTD 'Ball' 探测器以探测质量高达 20–30 TeV/c² 的磁单极子。
• 利用现有的 CERN 基础设施和合作网络，最大限度降低费用，并确保与 LHC 运行及其他实验计划的整合。

实验结果

研究问题

• RQ1 MoEDAL-MAPP 能否在质子-质子和重离子碰撞中，对长寿命和弱相互作用粒子（如毫电荷粒子和磁单极子）实现具有竞争力的探测灵敏度？
• RQ2 MAPP-1 和 MAPP-2 探测器在多大程度上可扩展 LHC 对高电离粒子和长寿命粒子的探测能力，超越主要 LHC 实验的能力？
• RQ3 对于涉及大质量、高电荷粒子或暗物质 sector 模型的新物理场景，像 MoEDAL-MAPP 这类成本低廉的专用探测器设施可实现的探测灵敏度如何？
• RQ4 MoEDAL-MAPP 所具备的永久物理记录和标准模型背景完全清除的特性，如何提升任何新物理发现的可靠性与确认潜力？
• RQ5 在 FCC-hh 上建设未来 MEDICI 设施的可行性与物理潜力如何，特别是对质量高达 30 TeV/c² 的长寿命粒子和磁单极子的探测能力？

主要发现

• MoEDAL-MAPP 项目已获 CERN 研究委员会批准进入第一阶段，目前 MAPP-1 探测器正在 UA83 展厅内安装，距离 IP8 100 米。
• MAPP-1 升级将 MoEDAL 的瞬时亮度提高五倍，并降低探测阈值，显著增强对长寿命和弱相互作用粒子的探测灵敏度。
• MoEDAL-MAPP 在长寿命粒子和毫电荷粒子探测方面，实现了与主要 LHC 实验以及 MATHUSLA 和 SHiP 等高成本专用项目相媲美且互补的探测灵敏度。
• 初步物理研究表明，计划在 LS3 期间（2025–2026 年）安装于 UGC1 展厅的 MAPP-2，将在关键基准场景下提供与 MATHUSLA 和 MAPP-2 联合探测相当的长寿命粒子探测灵敏度。
• MAPP-1 的成本（不含人员）低于 100 万瑞士法郎，证明了该方案在扩展 LHC 新物理发现潜力方面具有极高的成本效益。
• 对 FCC-hh 上 MEDICI 设施的初步研究显示，NTD 'Ball' 探测器可探测质量高达 20–30 TeV/c² 的磁单极子，其衰变区设计在探测暗标量粒子衰变为 muon 对方面，灵敏度可与 MATHUSLA 和 MAPP-2 联合探测相当。