[论文解读] SND@LHC: The Scattering and Neutrino Detector at the LHC

The SND LHC Collaboration|CERN Document Server (European Organization for Nuclear Research)|Oct 6, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 28

一句话总结

SND@LHC 是一个紧凑型探测器，位于 TI18 下游 480 m 处，设计用于测量来自 LHC 的前向中微子并寻找微弱相互作用粒子，目标在 LHC 第三跑道收集约 ~250 fb^-1，并观测约 2,000 次各类味的高能中微子相互作用。

ABSTRACT

SND@LHC is a compact and stand-alone experiment designed to perform measurements with neutrinos produced at the LHC in the pseudo-rapidity region of ${7.2 < η< 8.4}$. The experiment is located 480 m downstream of the ATLAS interaction point, in the TI18 tunnel. The detector is composed of a hybrid system based on an 830 kg target made of tungsten plates, interleaved with emulsion and electronic trackers, also acting as an electromagnetic calorimeter, and followed by a hadronic calorimeter and a muon identification system. The detector is able to distinguish interactions of all three neutrino flavours, which allows probing the physics of heavy flavour production at the LHC in the very forward region. This region is of particular interest for future circular colliders and for very high energy astrophysical neutrino experiments. The detector is also able to search for the scattering of Feebly Interacting Particles. In its first phase, the detector will operate throughout LHC Run 3 and collect a total of 250 $ ext{fb}^{-1}$.

研究动机与目标

• 利用来自铬夸克重强子衰变的中微子，在极前向的 LHC 区域（7.2 < η < 8.4）探测重味产生。
• 识别三种中微子味，以测试勒普顿味 universality 并研究中微子-核子相互作用。
• 测量中微子相互作用横截面和通量，以为极低 x 下的 charm 产生和 PDFs 约束提供信息。
• 通过探测器内的散射搜索 Feebly Interacting Particles，并评估在互补参数空间中的灵敏度。

提出的方法

• 混合探测器设计，结合胶体云/钨靶的混合结构与电子跟踪器和量能测量装置，以实现精确顶点定位和能量测量。
• 利用闪烁条的 veto 系统来排除来自 IP1 进入探测器的带电粒子。
• 带有 SciFi 平面的靶跟踪器，以与 ECCs 共同提供定时信息和电磁量能测量。
• 乳胶云室墙用于微米级跟踪以及 τ/含铬重强子顶点重建。
• 下游的强子量能计和 μ 子识别系统，用于完整事件重建和味标记。
• 具备 ~200 ps 分辨率的飞行时间能力，以区分潜在的 Feebly Interacting Particles 与中微子，并用于 FIP 搜索。
• 蒙特卡洛模拟链，使用 FLUKA 进行通量传播，DPMJET3 进行事件产生，GENIE 进行中微子相互作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 LHC pp 碰撞中产生的极前向中微子（η 在 7.2–8.4） 的味组成和能谱是什么？
• RQ2 前向中微子测量是否能在极低 x (~1e-6) 下约束 charm 产生和 gluon PDF？
• RQ3 在前向中微子相互作用中，ν_e/ν_μ 与 ν_e/ν_τ 比率是否符合勒普顿味 universality 的预测？
• RQ4 SND@LHC 对通过探测器内散射信号的 Feebly Interacting Particles 的灵敏度如何，以及在互补参数空间中的潜在能力？

主要发现

• 预计在目标体积中，在 250 fb^-1 的数据量下将产生大约 1700 次带电荷载流子相互作用和 550 次中性电流中微子相互作用，整体约有 72% 的 ν_μ 和 23% 的 ν_e。
• 在所探测的 η 范围内，ν_e 和 anti-ν_e 主要来自含铬重强子衰变，进而实现对重强子产生的大约 5% 的统计不确定性和约 35% 的系统不确定性。
• ν_e/ν_μ 比率提供对勒普顿味 universality 的测试，预计总不确定性约 15%（文本中记述为 10% 统计 + 10% 系统分量，实际为拼接）。
• NC/CC 比率可用作内部一致性检查和 Weinberg 角的代理变量，预计统计不确定性 <5%，展开的系统不确定性约 ~10%。
• 前向中微子测量可以在 x ~ 1e-6 处探测到 gluon PDF，并降低 charm 衰变导致的高能大气中微子通量的不确定性。
• SND@LHC 还能够通过时间飞行与拓扑/运动学选择进行对 Feebly Interacting Particles 的模型无关直接搜索，以将 FIPs 与中微子区分开来。