Эксперимент MilliQan
Эксперимент MilliQan — это эксперимент с малогабаритным детектором на Большом адронном коллайдере (БАК) ЦЕРНа . MilliQan — это не отдельный эксперимент ЦЕРНа, а функционирует как субдетектор CMS с выделенным меморандумом о взаимопонимании для определения авторства и ответственности. [1] Целью эксперимента MilliQan является обнаружение миллизаряженных частиц : частиц с зарядом, намного меньшим, чем у электрона . Эти частицы мотивированы существованием темного фотона , и открытие миллизаряженных частиц станет первым исследованием темного сектора . [2] Прототип детектора MilliQan собрал данные во время второго запуска LHC в 2018 году и установил конкурентные ограничения на заряды и массы миллизаряженных частиц. [3] Детекторы MilliQan третьего запуска в настоящее время собирают данные после завершения модернизации прототипа детектора в 2023 году и установки второго детекторного аппарата в 2024 году. [4] [5]
Сотрудничество
Сотрудничество MilliQan насчитывает 29 участников из 10 учреждений в 5 странах. Оно было предложено в 2016 году Кристофером Хиллом и Энди Хаасом. [6] Его название отсылает к эксперименту Милликена , в котором измерялся заряд электрона; милли- — метрическая приставка для тысячной; и Q — общепринятая научная единица измерения электрического заряда .
Детектор MilliQan
Эксперимент MilliQan расположен в подземном туннеле доступа в 33 м от CMS . Он экранирован от CMS 17 м скальной породы, защищающей его от адронного фона, в то же время позволяя миллизаряженным частицам проходить к детектору. Расположенный на глубине 70 м под землей, он также экранирован от фона космических лучей, проникающих через поверхность Земли. Детектор состоит из набора пластиковых сцинтилляционных стержней и пластин, которые установлены на фотоумножительных трубках (ФЭУ). Основная концепция детектора MilliQan заключается в использовании связи между ионизацией и зарядом в сцинтилляторе: ионизация в сцинтилляторе из-за заряженной частицы пропорциональна квадрату заряда. [7] Это означает, что небольшие заряды будут выделять количество энергии, которое достаточно мало, чтобы уклониться от детекторов LHC общего назначения, но достаточно велико, чтобы быть обнаруженным в специализированном детекторе. Кроме того, заряженная частица будет выделять постоянное количество энергии при прохождении через сцинтиллятор, поэтому совмещение ряда слоев, состоящих из сцинтиллятора, соединенного с ФЭУ, с точкой взаимодействия LHC P5 позволяет эксперименту быть чувствительным к миллизаряженным частицам.
Демонстратор MilliQan
Первая операция эксперимента milliQan появилась в виде прототипа детектора ~1%, названного MilliQan demonstrator. Он состоял из трех слоев пластиковых сцинтилляционных стержней, установленных на ФЭУ в компоновке 3x2, направленных в сторону точки взаимодействия LHC около CMS, а также дополнительного материала для экранирования. Демонстратор собрал 1106 часов данных о включении пучка и 1042 часа данных об отключении пучка во время LHC Run 2. Это установило основные ограничения на возможные массы и заряды для миллизаряженных частиц в диапазоне масс от 20 до 4700 МэВ и зарядов от 0,006e до 0,3e.
Запустить 3 детектора
Модернизация детектора milliQan для LHC Run 3 включает в себя расширение числа стержней в детекторе с 3x2 до 4x4 стержней на слой и с 3 до 4 слоев. Она также включает в себя добавление нового «детектора пластин», детектора, который жертвует чувствительностью к заряду ради акцепта в попытке поиска миллизаряженных частиц большей массы. Модернизация детектора пластин была завершена в июне 2023 года, а модернизация детектора пластин — в июле 2024 года. [4] Ожидается, что эти модернизации улучшат чувствительность к миллизаряженным частицам с зарядами всего 0,003e и массами до 45 ГэВ. [5]
Ссылки
- ^ Исследовательский совет ЦЕРНа (1 декабря 2021 г.). «Протокол 239-го заседания Исследовательского совета, состоявшегося 1 декабря 2021 г.». CERN-DG-RB-2021-509; M-239.
- ^ Фаббричези, Марко; Габриэлли, Эмидио; Ланфранчи, Гайя (04 мая 2020 г.). Темный фотон . SpringerBriefs по физике. arXiv : 2005.01515v3 . дои : 10.1007/978-3-030-62519-1. ISBN 978-3-030-62518-4. S2CID 229415143.
- ^ Болл и др. (MilliQan Collaboration) (2020-08-06). "Поиск миллизаряженных частиц в протон-протонных столкновениях при s=13 ТэВ". Physical Review D. 102 ( 3). Американское физическое общество (APS): 032002. arXiv : 2005.06518 . doi : 10.1103/physrevd.102.032002 . ISSN 2470-0010. S2CID 218628786.
- ^ ab Schmitz, Ryan (5 июня 2024 г.). milliQan и FORMOSA в забеге 3 и далее . Конференция LHCP 2024. Бостон, Массачусетс.
- ^ ab Ball et al. (MilliQan Collaboration) (2021-08-13). "Чувствительность к миллизаряженным частицам в будущих протон-протонных столкновениях на LHC с детектором milliQan". Physical Review D. 104 ( 3): 032002. arXiv : 2104.07151 . Bibcode : 2021PhRvD.104c2002B. doi : 10.1103/physrevd.104.032002. ISSN 2470-0010. S2CID 233241081.
- ^ Болл и др. (MilliQan Collaboration) (2016-07-15). «Письмо о намерении установить детектор миллизаряженных частиц на LHC P5». arXiv : 1607.04669v1 [physics.ins-det].
- ^ Lecoq, P. (2020). «Сцинтилляционные детекторы для заряженных частиц и фотонов». Справочная библиотека по физике частиц . Cham: Springer International Publishing. стр. 45–89 . doi :10.1007/978-3-030-35318-6_3. ISBN 978-3-030-35317-9.
