[论文解读] Study of tau-neutrino production at the CERN SPS

S. Aoki, A. Ariga+17 more|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2017

Particle Detector Development and Performance参考文献 6被引用 7

一句话总结

本论文提出在CERN SPS开展DsTau实验，通过高能质子碰撞测量$D_s$介子的微分产生截面，利用纳米级精度的乳胶探测器识别$D_s \to \tau\nu_\tau$和$\tau \to \nu_\tau X$衰变的双kink拓扑结构。目标是通过精确测定$D_s$的产生率和分支比，实现对$\nu_\tau$带电流截面测量中系统不确定性的降低，从而为检验轻子味 universality 及未来$\nu_\tau$实验（如SHiP）提供关键支持。

ABSTRACT

The DsTau project proposes to study tau-neutrino production in high-energy proton interactions. The outcome of this experiment are prerequisite for measuring the $ν_τ$ charged-current cross section that has never been well measured. Precisely measuring the cross section would enable testing of lepton universality in $ν_τ$ scattering and it also has practical implications for neutrino oscillation experiments and high-energy astrophysical $ν_τ$ observations. $D_s$ mesons, the source of tau neutrinos, following high-energy proton interactions will be studied by a novel approach to detect the double-kink topology of the decays $D_s ightarrow τν_τ$ and $τ ightarrowν_τX$. Directly measuring $D_s ightarrow τ$ decays will provide an inclusive measurement of the $D_s$ production rate and decay branching ratio to $τ$. The momentum reconstruction of $D_s$ will be performed by combining topological variables. This project aims to detect 1,000 $D_s ightarrow τ$ decays in $2.3 imes 10^8$ proton interactions in tungsten target to study the differential production cross section of $D_s$ mesons. To achieve this, state-of-the-art emulsion detectors with a nanometric-precision readout will be used. The data generated by this project will enable the $ν_τ$ cross section from DONUT to be re-evaluated, and this should significantly reduce the total systematic uncertainty. Furthermore, these results will provide essential data for future $ν_τ$ experiments such as the $ν_τ$ program in the SHiP project at CERN. In addition, the analysis of $2.3 imes 10^8$ proton interactions, combined with the expected high yield of $10^5$ charmed decays as by-products, will enable the extraction of additional physical quantities.

研究动机与目标

• 在CERN SPS的高能质子-质子碰撞中测量$D_s$介子的微分产生截面，作为$\nu_\tau$截面计算的关键输入。
• 降低当前超过50%的$\nu_\tau$带电流截面测量中的系统不确定性，该不确定性主要源于对$D_s$产生的知识不足。
• 通过高精度测量$\nu_\tau$截面，检验$\nu_\tau$散射中的轻子味 universality。
• 为未来的$\nu_\tau$实验（包括CERN的SHiP计划）提供关键数据支持。
• 从数据集中提取额外的物理量，例如约$10^5$个粲夸克衰变产物。

提出的方法

• 使用最先进的乳胶探测器，结合纳米级精度读出技术，探测$D_s \to \tau\nu_\tau$和$\tau \to \nu_\tau X$衰变的双kink拓扑结构。
• 通过结合重建的衰变顶点和轨迹段的拓扑变量，重构$D_s$介子的动量。
• 应用专用扫描程序，通过要求无核碎片存在，以减少强子相互作用带来的本底。
• 在钨靶中暴露368个乳胶模块，承受$2.3 \times 10^8$次质子相互作用，束流时间分为三次运行。
• 使用高精度读出系统（HTS）以高密度（约$10^5$条轨迹/cm²）扫描轨迹段，实现对稀有衰变拓扑结构的重建。
• 实施基于强度的束流控制和靶移动速度调节，以保持均匀曝光，最小化质子束流分布的非均匀性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在CERN SPS的高能质子相互作用中，$D_s$介子的微分产生截面是多少？
• RQ2 通过乳胶探测器中的拓扑重构，$D_s \to \tau\nu_\tau$衰变分支比的测量精度如何？
• RQ3 通过改善对$D_s$产生的认识，$\nu_\tau$带电流截面的系统不确定性可降低到何种程度？
• RQ4 在具有纳米级精度的乳胶探测器中，能否可靠识别$D_s \to \tau\nu_\tau$和$\tau \to \nu_\tau X$衰变的双kink拓扑结构？
• RQ5 在$2.3 \times 10^8$次质子相互作用中，$D_s$衰变及其产物（如$10^5$个粲夸克衰变）的产额是多少？这些数据能否用于额外的物理测量？

主要发现

• 实验预计在$2.3 \times 10^8$次质子相互作用中探测到1,000次$D_s \to \tau$衰变，直接实现对$D_s$产生率和$\tau$衰变分支比的包含式测量。
• 在$3 \times 10^5$次质子/束流的束流测试中，成功重建了约30,000次质子相互作用，并识别出150个可能具有衰变拓扑结构的候选事例，与$D_s$衰变特征一致。
• 观测到一个候选事例，其飞行长度为3.73 mm，弯曲角为66 mrad，撞击参数为256 $\mu$m，与预期的$D_s$衰变特征相符。
• 束流强度控制和靶移动速度经过优化，实现了均匀曝光，X方向位置分布保持在可接受水平。
• 368个模块的总有效束流时间为16天，预计每个模块需约1小时，束流时间分为三次运行以实现迭代优化。
• 首次运行（5天）的分析预计三年内可产出可发表结果，后续运行将受益于已建立的分析框架。