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

N. Béni, A DiCrescenzo+21 more|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 31被引用 4

一句话总结

XSEN 在LHC退役的TI18隧道中使用核乳胶构建了一个紧凑、轻质的中微子探测器，首次测量了能量为0.5–1 TeV的中微子-核子截面，包括τ中微子。该实验利用IP1处质子-质子碰撞产生的高能中微子，在LHC运行3期间（150/fb）实现约2,000次相互作用，最多可获得100个τ中微子事例，从而在先前未探索的能量区域内对标准模型进行精确检验。

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0.5–1 TeV能量范围内此前加速器实验未探索的中微子-核子截面。
• 研究τ中微子相互作用，其对第三代中可能偏离标准模型的物理极为敏感。
• 在大规模数据采集前的预运行阶段，原位表征机器产生的本底。
• 利用0.5吨演示探测器验证乳胶分析基础设施和效率。
• 在两个独立的能量窗口（中心能量分别约为0.7和1.2 TeV）内实现精确的截面测量。

提出的方法

• 在TI18隧道中部署一个轻质探测器（约3吨），由核乳胶砖构成，位于大伪快度区域（7.5 < η < 9.5），以拦截来自IP1处质子-质子碰撞的高能中微子。
• 利用大η区域c和b夸克衰变产生的天然中微子通量，由于动量构型，该通量中τ中微子的贡献被增强。
• 2021年安装一个0.5吨的演示探测器，利用约25/fb的数据原位表征背景并校准乳胶分析流程。
• 使用核乳胶进行粒子轨迹重建和顶点定位，实现对中微子相互作用和τ轻子衰变的高分辨率探测。
• 通过测量目标和坐标系校准，精确确定乳胶砖的位置，确保相互作用顶点相对于束流线的重建精度。
• 在CERN专用设施中进行乳胶显影和扫描，严格协调安全与物流，以最大限度减少延迟。

实验结果

研究问题

• RQ1 在0.5–1 TeV能量范围内，中微子-核子总截面的能量依赖性如何？与标准模型预测相比有何差异？
• RQ2 在这些高能下，τ中微子相互作用对总截面的贡献如何？能否揭示偏离标准模型的迹象？
• RQ3 在靠近LHC束流线的高本底环境中，机器产生的本底（如μ子、强子）如何影响探测效率和本底纯度？
• RQ4 低质量、无源的乳胶探测器是否能够实现足够的事例统计和分辨率，以在运行3期间实现精确的截面测量？
• RQ5 乳胶分析中的系统不确定性如何？能否通过预运行探测器实现原位校准？

主要发现

• XSEN探测器预计在LHC运行3期间，利用150/fb的积分亮度，可记录最多2,000次中微子相互作用。
• 该实验旨在收集最多100个τ中微子事例，从而首次实现500 GeV以上能量下ντN截面的直接测量。
• 计划于2021年部署0.5吨演示探测器，利用25/fb数据在约1 TeV能量下获得约100次中微子相互作用，实现原位背景表征。
• 探测器设计可完全适配TI18隧道，无需改造；安装和乳胶更换可在两人操作下于八小时内完成。
• 使用核乳胶可实现高分辨率轨迹追踪和顶点重建，这对识别寿命极短的τ轻子衰变至关重要。
• 该实验设计为无电源、无主动部件，最大限度减少对LHC运行的干扰，确保被动、安全部署。