[论文解读] Post-LS3 Experimental Options in ECN3

C. Ahdida, G. Arduini+48 more|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2023

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers被引用 5

一句话总结

本文提出在CERN的ECN3洞穴开展LS3之后的实验选项，利用高强度SPS质子束研究稀有K介子衰变和隐Sector物理。论文详细介绍了三个主要项目——HIKE、SHADOWS和BDF/SHiP，涵盖中微子散射、暗物质搜索及新粒子探测，物理探测范围延伸至低尺度新物理及改进的PDF测量。

ABSTRACT

The Experimental Cavern North 3 (ECN3) is an underground experimental cavern on the CERN Prévessin site. ECN3 currently hosts the NA62 experiment, with a physics programme devoted to rare kaon decays and searches of hidden particles approved until Long Shutdown 3 (LS3). Several options are proposed on the longer term in order to make best use of the worldwide unique potential of the high-intensity/high-energy proton beam extracted from the Super Proton Synchrotron (SPS) in ECN3. The current status of their study by the CERN Physics Beyond Colliders (PBC) Study Group is presented, including considerations on beam requirements and upgrades, detector R&D and construction, schedules and cost, as well as physics potential within the CERN and worldwide landscape.

研究动机与目标

• 识别并评估CERN ECN3洞穴在长期停机3（LS3）之后的长期实验选项，最大限度发挥SPS提供的高强度、高能质子束的独特潜力。
• 评估所提议实验在稀有K介子衰变、隐粒子及中微子散射方面的物理潜力，特别是探测标准模型之外的低尺度新物理。
• 评估每项提议实验的技术可行性、束流需求、探测器研发、基础设施升级、时间表及成本估算。
• 将ECN3实验置于全球高能物理格局中，确保其与现有设施（如EIC、FASERν和SHiP）的互补性。
• 为ECN3的未来使用提供路线图，包括束流共享策略及与现有CERN加速器基础设施的整合。

提出的方法

• 提出三个主要实验概念：HIKE（高强度K介子实验）、SHADOWS（隐粒子与暗区振荡搜索）和BDF/SHiP（束流打靶设施/SHIP），用于LS3之后的运行。
• 利用在450 GeV/c能量下提取的SPS质子束，峰值强度约为1.5×10¹³个质子/列车，支持高精度的稀有衰变与隐粒子探测。
• 部署专用探测器，如基于核乳胶的追踪系统用于τ中微子识别，液氩时间投影室用于中微子相互作用探测，以及束流打靶装置用于暗物质与长寿命粒子探测。
• 采用专为高强度运行和TCC8/ECN3区域束流稳定性设计的束流仪器、真空系统、辐射防护与机器保护系统。
• 通过TT20、P4和P42传输线与现有CERN基础设施集成，对磁铁、电源转换器和对准系统进行改造以支持新束流线。
• 应用详细的模拟与建模，估算中微子相互作用率、PDF灵敏度及磁矩约束，利用与现有实验的运动学重叠进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 在LS3之后，利用ECN3中高强度SPS束流研究稀有K介子衰变与隐Sector粒子探测的物理潜力是什么？
• RQ2 ECN3洞穴如何升级以支持多个高强度实验，包括束流共享与基础设施整合？
• RQ3 SHADOWS和SHiP SND对中微子结构函数、τ中微子相互作用及磁矩的预期灵敏度如何？
• RQ4 ECN3实验在多大程度上可改进对质子与核子部分子分布函数（PDFs）的约束，特别是在低x和高Q²区域？
• RQ5 在ECN3部署HIKE、SHADOWS和BDF/SHiP的技术、成本与时间表要求是什么？

主要发现

• SHADOWS NaNu预计记录约4.1×10³个νₑ和40×10³个νμ相互作用，其中100个为识别出的ντ事件，可实现对轻子普适性的1%水平检验。
• SHiP SND预计观测到约2.7×10⁶个νₑ和8.0×10⁶个νμ相互作用，其中3,800个为识别出的ντ事件，对ντ磁矩的灵敏度可达9×10⁻⁸ μB。
• FASERν 2@FPF将覆盖中微子在核靶上带电流散射的未探索区域，与未来的EIC测量互补，并探测质子与核PDF中x > 0.003的区域。
• HIKE实验旨在以10⁻⁹量级的灵敏度测量稀有K介子衰变，目标为探测轻子味普适性破坏与异常磁矩。
• BDF/SHiP设计用于通过束流打靶探测长寿命粒子与暗物质，对惰性中微子振荡的灵敏度可达Δm²₁₄ ≳ 10³ eV²且混合角Uμ₄ ~ 10⁻²。
• ECN3束流线升级（包括TT20和P42传输线）的基础设施成本估计约为15亿瑞士法郎，初步时间表延伸至2035年。