[论文解读] Technical Proposal: FASERnu

FASER Collaboration, H. Abreu+70 more|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2020

Particle Detector Development and Performance被引用 42

一句话总结

FASERν 提议在距 ATLAS IP 480 m 处放置一个小型的乳化层-钨探测器以探测 TeV 能量的对撞机中微子，目标测量味道特异的截面并研究中微子产生与相互作用。对于 Run 3（2021–23），预计约有 1,300 个电子中微子、20,000 个 muon 中微子和 20 个 tau 中微子相互作用，安装了 7 套探测器并在每 20–50 fb⁻¹ 数据后进行乳化层更换。

ABSTRACT

FASERnu is a proposed small and inexpensive emulsion detector designed to detect collider neutrinos for the first time and study their properties. FASERnu will be located directly in front of FASER, 480 m from the ATLAS interaction point along the beam collision axis in the unused service tunnel TI12. From 2021-23 during Run 3 of the 14 TeV LHC, roughly 1,300 electron neutrinos, 20,000 muon neutrinos, and 20 tau neutrinos will interact in FASERnu with TeV-scale energies. With the ability to observe these interactions, reconstruct their energies, and distinguish flavors, FASERnu will probe the production, propagation, and interactions of neutrinos at the highest human-made energies ever recorded. The FASERnu detector will be composed of 1000 emulsion layers interleaved with tungsten plates. The total volume of the emulsion and tungsten is 25cm x 25cm x 1.35m, and the tungsten target mass is 1.2 tonnes. From 2021-23, 7 sets of emulsion layers will be installed, with replacement roughly every 20-50 1/fb in planned Technical Stops. In this document, we summarize FASERnu's physics goals and discuss the estimates of neutrino flux and interaction rates. We then describe the FASERnu detector in detail, including plans for assembly, transport, installation, and emulsion replacement, and procedures for emulsion readout and analyzing the data. We close with cost estimates for the detector components and infrastructure work and a timeline for the experiment.

研究动机与目标

• 在 LHC 产生的最高能量下探测中微子产生、传播和相互作用。
• 测量 ν_e、ν_μ 和 ν_τ 在 TeV 能标尺下的 ν–N 带电流截面。
• 在 TeV 能量下探测并研究 ν_τ 事件及 τ 中微子相互作用。
• 对推进前向 hadron 产生模型以影响加速器、对撞机与宇粒子物理相关的中微子通量预测进行约束。
• 探索在短基线下可能的无性中微子振荡。

提出的方法

• 部署 1000 层乳化层与钨互相穿插，形成一个 25 cm × 25 cm × 1.35 m 体积内的 1.2 吨钨靶。
• 将探测器安置在 TI12，直接在 FASER 前方，距 ATLAS IP 480 m 的对撞线轴上。
• 在 2021–2023 年之间安装 7 套乳化层-钨探测器，并在大约每 20–50 fb⁻¹ 数据后进行更换。
• 开发并读取乳化片，并重建事件以测量中微子能量并区分味道。
• 如有需要可增设与 FASER 的界面探测器以分辨 ν_μ 与 0̄_μ 事件，并改善信号/背景判别。
• 提供详细仿真与原位测量以估计通量、背景和事件率。

实验结果

研究问题

• RQ1 TeV 能量的 ν–核子带电流截面对 ν_e、ν_μ、ν_τ 是多少？
• RQ2 是否可以使用乳化探测器对 collider-forward 中微子进行味道标记并重建其能量？
• RQ3 τ 中微子在 TeV 能量下的相互作用速率及辨识 ν_τ 事件的能力如何？
• RQ4 前向 hadron 产生模型如何影响 LHC 的中微子通量预测？
• RQ5 在 TeV 能量中微子束上，是否对短基线的无性中微子振荡存在灵敏度？

主要发现

• 估计 Run 3 在 FASERν 的中微子相互作用：约 1,300 个 ν_e、约 20,000 个 ν_μ，以及约 20 个 ν_τ。
• 探测器由 1000 层带钨的乳化层组成，在一个 25 cm × 25 cm × 1.35 m 的体积内形成 1.2 吨钨靶。
• Run 3 将安装 7 套乳化层，并在约每 20–50 fb⁻¹ 数据后进行更换。
• Run 3 的计划使在当前数据无法约束的能量范围内测量 ν–核子 CC 截面。
• 有望观测约 13/约 20 个 ν_τ CC 相互作用，并在 TeV 能量下研究 τ 的产生与衰变拓扑。
• 与 FASER 的界面探测器可能区分 ν_μ 与 0̄_μ 事件，从而提升味道分离与背景抑制。