First Measurement of the Muon Neutrino Interaction Cross Section and Flux as a Function of Energy at the LHC with FASER

ملخص تقني: أول قياس لمقطع عرض التفاعل لنيوترينو الميون وتدفقها كدالة للطاقة في مصادم الهادرونات الكبير (LHC) باستخدام تجربة FASER

المشكلة والدوافع
يولد مصادم الهادرونات الكبير (LHC) حزمة مكثفة من النيوترينوات الأمامية الناتجة عن اضمحلال البيونات، والكاونات، والهادرونات الساحرة (charmed hadrons) المتولدة من تصادمات بروتون-بروتون ($pp$). وبينما توفر هذه النيوترينوات فرصة فريدة لدراسة خصائص النيوترينو، والكروموديناميكا الكمية (QCD)، والظواهر التي تتجاوز النموذج القياسي، إلا أنها ظلت تاريخياً غير مقاسة لأنها تقع خارج نطاق القبول المجهز للأجهزة في تجارب LHC النموذجية. كانت القياسات السابقة لمقاطع عرض تفاعل النيوترينو مقتصرة على تجارب الهدف الثابت عند طاقات أقل من 360 جيجا إلكترون فولت، أو على بيانات الفيزياء الفلكية عند طاقات تزيد عن 10 تيرا إلكترون فولت، مما ترك فجوة كبيرة في نطاق التيرا إلكترون فولت. حققت تعاونية FASER سابقاً أول رصد مباشر لنيوترينوات المصادم وأول قياس لمقاطع العرض عند طاقات التيرا إلكترون فولت باستخدام كاشف مستحلب (emulsion detector). تعالج هذه الورقة الحاجة إلى قياس تفاضلي لمقطع عرض التفاعل للتيار المشحون (CC) وتدفق نيوترينوهات الميون ($\nu_\mu$) والنيوترينوهات المضادة لها ($\bar{\nu}_\mu$) كدالة للطاقة باستخدام المكونات الإلكترونية النشطة لكاشف FASER.

المنهجية
يستخدم التحليل بيانات تصادمات $pp$التي جُمعت خلال عامي 2022 و2023 عند طاقة مركز الكتلة تبلغ 13.6 تيرا إلكترون فولت، وهو ما يقابل لمعاناً متكاملاً قدره$(65.6 \pm 1.4) \text{ fb}^{-1}$. يقع كاشف FASER على بعد حوالي 480 متراً في اتجاه المصب من نقطة تفاعل ATLAS (IP1)، وهو محمي بـ 100 متر من الصخور والخرسانة لامتصاص الجسيمات الخلفية مع السماح للنيوترينوات بالمرور.

• اختيار الأحداث: يستهدف التحليل تفاعلات التيار المشحون (CC) لنيوترينوهات الميون ($\nu_\mu$) ضمن حجم معياري (fiducial volume) محدد بأسطوانة قطرها 200 مم حول محور المطياف. يتم اختيار الأحداث إذا أدت إلى تشغيل الكواشف الوميضية (scintillators) في اتجاه المصب، ونشأت من تقاطع حزم متصادم، ولم تظهر شحنة كبيرة في كاشف VetoNu الوميضي العلوي (مما يشير إلى عدم وجود جسيمات مشحونة واردة). أحد المعايير المميزة هو "الشحنة المختزلة" في كواشف VetoNu الوميضية، والتي تُحسب عبر دمج الشحنة عبر نافذة زمنية متوقعة لميون خلفي؛ حيث تعطي تفاعلات النيوترينو عادةً شحنات مختزلة أقل بك kê significantly بسبب اختلاف زمن الطيران للجسيمات المنتجة في الهدف.
• إعادة بناء المسار: تتطلب الأحداث المختارة مساراً واحداً على الأقل يمر عبر جميع محطات مطياف التتبع الثلاث بزخم أكبر من 100 جيجا إلكترون فولت. يجب أن تستوفي المسارات قيوداً صارمة على نصف القطر والزاوية لرفض الجسيمات الخلفية التي تدخل عند أنصاف أقطار وزوايا كبيرة.
• تقدير الخلفية: تتمثل الخلفية الأساسية في الميونات عالية الزخم القادمة من المنبع والتي تتملص من كواشف VetoNu الوميضية. يتم تقدير ذلك باستخدام جانب جانبي (sideband) من الأحداث ذات الزخم الأقل من 100 جيجا إلكترون فولت وتعميمها إلى منطقة الإشارة. وُجد أن مساهمات الهادرونات المتعادلة، والأشعة الكونية، وخلفيات الحزمة ضئيلة جداً. يتم تقدير تفاعلات النيوترينو غير الإشارية (مثل $\nu_e$ CC، و$\nu_\tau$ CC، وNC) عبر المحاكاة ويتم طرحها.
• إزالة الالتفاف والتحليل: يتم تغيير زخم الميون المعاد بناؤه ($p_\mu$) بمعامل قدره 0.8 لتقدير طاقة النيوترينو الساقطة. يتم إجراء عملية إزالة الالتفاف (unfolding) للبيانات من ست خانات (bins) لنسبة $q/p'_\mu$ (حيث $q$ هي شحنة الميون و$p'_\mu$ هو الزخم المقياس) إلى ست خانات لطاقة النيوترينو ($E_\nu$) باستخدام مصفوفة استجابة مشتقة من المحاكاة (GENIE 3.04.0 للتفاعلات، وGEANT4 لاستجابة الكاشف). يُستخدم ملائمة الاحتمال الأقصى الموزعة (binned extended maximum likelihood fit) لاستخراج عدد تفاعلات النيوترينو.

المساهمات الرئيسية والنتائج
تقدم الورقة أول قياس تفاضلي لمقطع عرض تفاعل نيوترينو الميون والنيوترينو المضاد له وتدفقهما في نطاق طاقة التيرا إلكترون فولت.

• عائد الأحداث: بعد طرح الخلفية، حدد التحليل $338.1 \pm 21.0$ من أحداث تفاعل CC لنيوترينوهات $\nu_\mu$ و$\bar{\nu}_\mu$ في الحجم المعياري. وهذا يتوافق مع القيمة المتوقعة البالغة $298.4 \pm 42.6$.
• مقطع العرض والتدفق: باستخدام ملائمة الاحتمال، حدد التعاون $1242.7 \pm 137.1$ من تفاعلات CC داخل الحجم المعياري.
  • مقطع العرض: تم قياس مقطع عرض النيوترينو-نوكليون المعتمد على الطاقة في ست خانات طاقة تمتد من حوالي 100 جيجا إلكترون فولت إلى نطاق التيرا إلكترون فولت. النتائج متوافقة مع تنبؤات النموذج القياسي (تحديداً نموذج Bodek-Yang والنماذج الأحدث) وتعمل كجسر بين تجارب الهدف الثابت وقياسات IceCube للفيزياء الفلكية.
  • التدفق: على العكس من ذلك، بافتراض مقاطع العرض النظرية، تم قياس التدفق التفاضلي لنيوترينوهات الميون والنيوترينوهات المضادة لها.
• آليات الإنتاج: من خلال إجراء ملائمة قالب (template fit) على طيف طاقة النيوترينو الذي تمت إزالة الالتفاف منه، تم فصل مساهمات اضمحلال البيونات والكاونات. لاحظ التحليل نسبة بيون-إلى-كاون أكبر مما هو متوقع في النموذج القياسي (مما يعطي قيمة $p$-value قدرها 5.9%)، وهو ما يضعف التفسيرات لـ "لغز الميون الكوني" التي تعتمد على تعزيز إنتاج الغرابة (strangeness) الأمامي.

الأهمية
يمثل هذا العمل علامة فارقة في فيزياء النيوترينو في المصادمات من خلال تقديم أول قياس تفاضلي لمقطع عرض تفاعل نيوترينو الميون وتدفقهما في نطاق طاقة التيرا إلكترون فولت. تؤكد النتائج صحة تنبؤات النموذج القياسي في نظام طاقة لم يكن مستكشفاً من قبل، وتثبت قدرة الكواشف الأمامية في LHC على إجراء فيزياء نيوترينو دقيقة. يوفر قياس نسبة البيون إلى الكاون قيوداً جديدة على نماذج إنتاج الهادرونات، وهي نماذج بالغة الأهمية لفهم زخات الأشعة الكونية. تخلص الورقة إلى أن هذه النتائج، جنباً إلى جنب مع القياسات السابقة القائمة على المستحلبات، تمثل فجر فيزياء النيوترينو في المصادمات، مما يقدم آثاراً واسعة النطاق على خصائص النيوترينو، والكروموديناميكا الكمية، والفيزياء الفلكية. تتوفر مصفوفة التباين التجريبي الكاملة والنتائج عبر HEPData.