[论文解读] XSEN: a $ν$N Cross Section Measurement using High Energy Neutrinos from pp collisions at the LHC

N. Beni, S. Buontempo+21 more|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

XSEN 通过在 LHC 前向区域（7.5 < η < 9.5）部署核乳胶探测器，利用 IP1 和 IP5 处质子-质子碰撞产生的中微子，在 TeV 能量尺度下实现对中微子-核子截面的高精度测量。该实验旨在收集约 100 个 τ 中微子相互作用，并在两个能量区间（0.7 和 1.2 TeV）内测量截面，通过高能中微子相互作用探测第三代中的新物理。

ABSTRACT

XSEN (Cross Section of Energetic Neutrinos) is a small experiment designed to study, for the first time, neutrino-nucleon interactions (including the tau flavour) in the 0.5-1 TeV neutrino energy range. The detector will be installed in the decommissioned TI18 tunnel and uses nuclear emulsions. Its simplicity allows construction and installation before the LHC Run 3, 2021-2023; with 150/fb in Run3, the experiment can record up to two thousand neutrino interactions, and up to a hundred tau neutrino events. The XSEN detector intercepts the intense neutrino flux, generated by the LHC beams colliding in IP1, at large pseudo-rapidities, where neutrino energies can exceed the TeV. Since the neutrino-N interaction cross section grows almost linearly with energy, the detector can be light and still collect a considerable sample of neutrino interactions. In our proposal, the detector weighs less than 3 tons. It is lying slightly above the ideal prolongation of the LHC beam from the straight section; this configuration, off the beam axis, although very close to it, enhances the contribution of neutrinos from c and b decays, and consequently of tau neutrinos. The detector fits in the TI18 tunnel without modifications. We plan for a demonstrator experiment in 2021 with a small detector of about 0.5 tons; with 25/fb, nearly a hundred interactions of neutrinos of about 1 TeV can be recorded. The aim of this pilot run is a good in-situ characterisation of the machine-generated backgrounds, an experimental verification of the systematic uncertainties and efficiencies, and a tuning of the emulsion analysis infrastructure and efficiency. This Letter provides an overview of the experiment motivations, location, design constraints, technology choice, and operation.

研究动机与目标

• 测量能量高于 500 GeV 的中微子-核子截面，扩展现有加速器数据的范围。
• 通过高能 τ 中微子相互作用探测第三代中可能存在的新物理，其动机源于 W 和 B 介子衰变中的异常现象。
• 通过初步运行中使用 0.5 吨乳胶探测器，表征机器诱导背景并验证探测器性能。
• 在 LHC Run3 中使用 1.5–3 吨探测器，在两个能量区间（0.7 和 1.2 TeV）内实现独立测量。
• 通过基于乳胶的轨迹重建和角度重建，实现中微子通量和背景水平的精确原位标定。

提出的方法

• 在 ATLAS IP1 附近的 TI18 隧道内，于前向区域（7.5 < η < 9.5）部署带有铅层的核乳胶探测器。
• 利用乳胶记录带电粒子轨迹，实现亚毫米级角分辨率，以区分来自 IP 的粒子与局部背景。
• 安装带有中子屏蔽（硼掺杂聚乙烯或碳化硼泡沫）的乳胶堆栈，以防止中子活化引起的误曝光。
• 在候选位置（如 VN、N、F、VF）使用乳胶和辐射监测器进行原位背景表征，并通过 Fluka 模拟进行验证。
• 实施两阶段运行：第一阶段（2019–2021 年）为初步运行和基础设施调校；第二阶段（2022–LS3）为全量数据采集，探测器质量扩大。
• 使用测量靶和精确的砖块定位，保持与束流线的已知距离，从而实现精确的截面重建。

实验结果

研究问题

• RQ1 对于能量高于 500 GeV 的中微子，特别是 τ 中微子，其能量依赖的 νN 截面是多少？
• RQ2 LHC 中的高能中微子相互作用是否能揭示第三代中标准模型之外的偏离？
• RQ3 机器诱导背景（μ子、强子、中子）如何影响前向 LHC 区域的中微子探测？
• RQ4 乳胶探测器在 0.7–1.2 TeV 范围内对稀有 τ 中微子相互作用的探测灵敏度能达到何种水平？
• RQ5 能否在不干扰束流运行的前提下，成功部署并运行一种被动的、低侵入性的探测器系统？

主要发现

• 该实验设计在 Run3 期间收集约 100 个 τ 中微子相互作用，从而实现对 TeV 能量区段 νN 截面的直接测量。
• 局部源引起的背景水平测量为：强子约 10^6 /cm²，μ子约 10^5 /cm²，主要的各向同性背景为 10^7 /cm² 随机轨迹。
• 通过在 θx 方向约 20 mrad 处的锐利角峰和 θy 方向约 0 mrad 的特征，识别出来自 IP 的 μ 子轨迹，与预期通量和乳胶响应一致。
• 使用 0.5 吨探测器的初步运行预计可验证背景模型，并在全面部署前优化乳胶扫描效率。
• 探测器安装和乳胶更换可在八小时内完成，对 LHC 运行计划影响极小，确保了兼容性。
• 已确认通过 PM15 竖井及低温管线下方（宽 80 cm，高 34 cm）的通道安全可行，可用于运输探测器组件。