[论文解读] The CMS Precision Proton Spectrometer at the HL-LHC -- Expression of Interest

CMS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Mar 3, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 13

一句话总结

该论文为高亮度LHC（HL-LHC）的CMS实验提出了一种新型近束质子谱仪，利用位于距相互作用点196、220、234和420米处的可移动罗马盆探测器，实现对中心电荷产生（CEP）事例中质子的高精度测量。该系统将可探测的希格斯玻色子质量范围扩展至43–2.7 TeV，使新物理搜索的预期数据量相比当前PPS能力提升10倍。

ABSTRACT

The CMS Collaboration intends to pursue the study of central exclusive production (CEP) events, pp $ o$ pXp, at the High-Luminosity LHC (HL-LHC) by means of a new near-beam proton spectrometer. In CEP events, the state X is produced at central rapidities, and the scattered protons do not leave the beam pipe. The kinematics of X can be fully reconstructed from that of the protons, which gives access to final states otherwise not visible. CEP allows unique sensitivity to physics beyond the standard model, e.g. in the search for anomalous quartic gauge couplings, axion-like particles, and in general new resonances. CMS has been successfully operating the Precision Proton Spectrometer (PPS), initially a joint CMS and TOTEM project, since 2016. The present document outlines the physics interest of a new PPS at the HL-LHC, and explores its feasibility and expected performance. Discussions with the machine groups led to the identification of four locations suitable for the installation of movable proton detectors: at 196, 220, 234, and 420 m from the interaction point, on both sides. Acceptance studies indicate that having the beams cross in the vertical plane at the interaction point, as implemented after Long Shutdown 3, is preferable over the present horizontal crossing. This gives access to states X in the mass range 133 GeV$-$2.7 TeV with the stations at 196, 220, and 234 m. The lower mass limit becomes 43 GeV if the 420 m station is included, which makes it possible to study central exclusive production of the 125 GeV Higgs boson. This is a major improvement with respect to the current mass range of 350 GeV$-$2 TeV. The project and its costs can easily be staged; the 420 m station can be addressed in a second step. In summary, a new near-beam proton spectrometer for operation at the HL-LHC appears feasible. It would greatly extend the CMS physics reach with a limited investment.

研究动机与目标

• 在HL-LHC环境下实现对中心电荷产生（CEP）事例中质子的高精度测量，以探测原本不可见的末态。
• 将新物理搜索的质量探测范围——特别是轴子样粒子、异常四体规范耦合以及新共振态——扩展至当前350 GeV–2 TeV范围之外。
• 通过先进的探测器设计和远程校准策略，克服HL-LHC环境中辐射和堆叠带来的挑战。
• 通过垂直位移和基于时间的顶点重建技术，集成可移动探测器系统并实现辐射屏蔽，确保长期性能。
• 实现成本效益高的分阶段部署，前向质子谱仪与中央像素系统及时间系统现有Phase-2升级工作形成协同效应。

提出的方法

• 在距相互作用点196、220、234和420米处部署可移动罗马盆（XRP）探测器，温暖位置采用现有XRP技术，420米冷区位置则使用改进型杜瓦容器。
• 采用双层追踪与飞行时间系统，利用金刚石探测器、3D像素或平面硅传感器，时间分辨率达50–60 ps，以测量纵向顶点位置并重建质子轨迹。
• 通过远程控制的垂直移动系统（每20 fb⁻¹移动0.5 mm）将辐照峰值在探测器表面分散，从而减轻辐射损伤。
• 利用Run 1和Run 2期间积累的PPS基础设施与经验，与中央像素系统及前向MIP时间探测器发展工作集成，实现技术协同。
• 采用束流光学校准与对准程序，通过特殊校准填充和基于束流的对准技术，保持亚毫米级精度。
• 与机器保护系统（如BIS、BLM）集成，并通过细致的机械设计与屏蔽措施，确保阻抗与束流散射晕的抑制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在HL-LHC部署新型质子谱仪后，中心电荷产生（CEP）事例的可实现质量范围是多少？
• RQ2 在高亮度LHC环境中，如何减轻前向质子探测器的辐射损伤？
• RQ3 为最大化CEP物理中的运动学接受度与重建分辨率，探测器的最佳位置与技术是什么？
• RQ4 如何优化时间与追踪分辨率，以应对HL-LHC预期的高堆叠（μ ≈ 200）条件？
• RQ5 在靠近束流管道的多个位置分阶段部署可移动质子谱仪系统的成本与可行性如何？

主要发现

• 当包含420米探测站时，新谱仪将CEP事件的可探测质量范围扩展至43–2.7 TeV，首次实现对125 GeV处中心电荷希格斯玻色子产生的直接研究。
• 仅196、220和234米探测站即可提供133 GeV–2.7 TeV的质量范围，相比当前350 GeV–2 TeV范围有显著提升。
• 每20 fb⁻¹进行0.5 mm的垂直位移，足以通过将辐照分布于探测器表面来有效缓解辐射损伤。
• 50–60 ps的时间分辨率足以在高堆叠条件下实现顶点重建，从而精确分离相互作用事件。
• 196、220和234米探测站的成本估算为1–2 MCHF，420米探测站需进一步成本分析，但支持分阶段部署。
• 在LS3后实现垂直束流交叉（post-LS3）对实现最优接受度至关重要，可实现对希格斯玻色子质量区域的完整覆盖。