Measurement of the Muon Flux at SND@LHC: Results from the 2023-2025 Proton and Heavy-Ion Periods

Dit artikel presenteert de gemeten muonflux voor de SND@LHC-experimenten tijdens de proton- en zware-ionenperioden van 2023 tot 2025, waarbij de resultaten, die voornamelijk door systematische onzekerheden worden bepaald, overeenstemming tonen met Monte Carlo-predicties.

De kern

De Muon-Flux bij SND@LHC: Een Reis door de Aarde en de Tijd

Stel je voor dat je een gigantische, onzichtbare regen van deeltjes hebt die constant op de aarde neervalt. Dit zijn muonen, de 'tweelingbroers' van elektronen, maar dan veel zwaarder en met een superkracht: ze kunnen door bijna alles heen prikken, zelfs door kilometers steen en aarde.

Het SND@LHC-experiment is een soort supergevoelige 'regenmeter' die diep onder de grond in Zwitserland staat, ongeveer 480 meter van de beroemde ATLAS-detector vandaan. De wetenschappers willen hier vooral neutrino's vinden (nog mysterieuzere deeltjes), maar er is een groot probleem: de 'regen' van muonen is zo zwaar dat het de neutrino's volledig overstemt. Het is alsof je probeert een fluisterend gesprek te horen tijdens een zware onweersbui.

Dit artikel vertelt het verhaal van hoe de wetenschappers in de jaren 2023, 2024 en 2025 precies hebben gemeten hoeveel van die 'muon-regen' er op hun detector viel.

1. De Detector: Een Geavanceerde Vismeter

De detector van SND@LHC is als een gigantische, complexe visserijboot:

• De Veto (De Waarschuwingsbel): Vooraan zit een systeem van lichtgevoelige staven. Als er een deeltje langs komt dat niet uit de gewenste richting komt, gaat de bel af.
• De Emulsie (De Vismoot): In het midden zit een zware muur van wolfraam en speciale films. Dit is waar de 'vis' (de deeltjes) gevangen wordt.
• De Muon-Systemen (De Netten): Achter de muur zitten nog meer lagen om precies te zien welke deeltjes erdoorheen zijn gekomen.

Deze 'boot' staat in een tunnel die door 100 meter rotswand is afgeschermd. Alleen de snelste en meest rechtlijnige deeltjes (de muonen) halen het.

2. Het Experiment: Protonen vs. Zware Ionen

De wetenschappers keken naar twee soorten 'regen':

1. Protonen: Dit is de normale 'regendruppels'. Het zijn de deeltjes die normaal gesproken in de Large Hadron Collider (LHC) botsen.
2. Zware Ionen (Blei): Dit is alsof je in plaats van regendruppels, hele kleine kogels van lood laat vallen. Dit gebeurt in speciale periodes. Omdat deze 'kogels' veel zwaarder zijn, veroorzaken ze een veel dikkere 'regen' van muonen.

De resultaten in gewone taal:

• Bij de protonen (de lichte regen) was de hoeveelheid muonen in 2024 het hoogst, bijna twee keer zo hoog als in 2023. Waarom? Omdat de wetenschappers in 2024 de 'magneten' in de LHC hebben omgedraaid (zoals het draaien van een kompas), waardoor meer muonen de juiste kant op werden gestuurd. In 2025 werd dit weer iets aangepast, waardoor de regen weer iets minder zwaar werd.
• Bij de zware ionen (de loodkogels) was de 'regen' enorm veel dichter. Het aantal muonen was hier tienduizenden keren hoger dan bij de protonen!

3. De Verrassing: De Regen komt niet alleen van boven

Een van de coolste ontdekkingen in dit artikel is dat niet alle muonen uit de hoofd-botsing (IP1) komen.
Stel je voor dat je een regenmeter hebt, maar je merkt dat er ook water uit een buis naast je huis komt. De wetenschappers ontdekten dat een deel van de muonen ontstaat in een andere tunnel (bij een magnetische installatie genaamd LEHR.11R1), ongeveer 60 meter voor hun detector.
Deze deeltjes worden door de magneten van de LHC als een slang in de lucht gegooid en belanden precies op hetzelfde moment in de detector als de deeltjes uit de hoofd-botsing. Het is alsof twee verschillende regenbuien precies op hetzelfde moment en op dezelfde plek neerkomen. De wetenschappers kunnen ze niet van elkaar scheiden, dus tellen ze ze allemaal mee.

4. Waarom is dit belangrijk?

Je zou kunnen denken: "Waarom meten we gewoon de regen als we de neutrino's willen vinden?"

• De Emulsie is kwetsbaar: De speciale films in het midden van de detector zijn als heel dunne, gevoelige foto's. Als er te veel 'regen' (muonen) op valt, worden ze 'overbelicht' en onbruikbaar. Door precies te weten hoeveel regen er valt, weten de wetenschappers precies wanneer ze de films moeten vervangen.
• De Voorspelling: De metingen werden vergeleken met computermodellen (een soort virtuele simulatie van de regen). Het bleek dat de echte wereld en de computermodellen heel goed overeenkwamen (binnen 10-20%). Dit betekent dat we de natuurwetten van deze deeltjes heel goed begrijpen.

Samenvatting

Dit artikel is eigenlijk een logboek van de regen in de LHC-tunnel. De wetenschappers van SND@LHC hebben in 2023, 2024 en 2025 precies gemeten hoeveel muonen er op hun detector vielen, zowel bij de normale botsingen als bij de zware botsingen.

Ze ontdekten dat:

1. De hoeveelheid muonen varieert afhankelijk van hoe de magneten in de LHC staan.
2. Een groot deel van de 'regen' eigenlijk uit een andere bron in de tunnel komt, maar toch op hetzelfde moment arriveert.
3. Hun metingen perfect overeenkomen met wat de computers hadden voorspeld.

Dit helpt hen om hun 'visnetten' (de detector) optimaal in te stellen en ervoor te zorgen dat ze de echte 'schatten' (de neutrino's) kunnen vinden, ondanks de zware 'regen' van muonen.

Technische samenvatting

Titel: Meting van de Muonflux bij SND@LHC: Resultaten uit de Proton- en Zware-Ionenperiodes 2023-2025

1. Probleemstelling en Context

Het SND@LHC-experiment (Scattering and Neutrino Detector) is ontworpen om neutrino's te detecteren in het voorwaartse pseudorapidity-gebied ($7.2 < \eta < 8.4$) gegenereerd door protonbotsingen bij het ATLAS-interactiepunt (IP1) van de LHC.

• Huidige uitdaging: De overgrote meerderheid van de waargenomen gebeurtenissen bestaat uit doorgaande muonen. Deze vormen de primaire achtergrond voor neutrino-zoektochten.
• Operationele impact: Een hoge muonflux leidt tot overmatige blootstelling van de emulsiefilms in de detector, wat de vervangingsfrequentie van het doelwit (target) bepaalt.
• Doel: Een precieze karakterisering van deze muonflux is essentieel voor het optimaliseren van de detectorprestaties, het begrijpen van de achtergrond en het valideren van Monte Carlo-simulaties.

2. Methodologie

Detectoropstelling:
De SND@LHC-detector bevindt zich in de TI18-tunnel, ongeveer 480 meter stroomafwaarts van IP1. Het is een hybride systeem bestaande uit:

• Een veto-systeem (scintillatorstaven) om geladen deeltjes te taggen.
• Een doelwit van wolfraamplaten met kernemulsies en elektronische trackers (Emulsion Cloud Chambers - ECCs).
• Een Scintillating Fiber (SciFi) tracker voor precieze positiebepaling.
• Een downstream muonsysteem met ijzerblokken en scintillatorplaten (US en DS systemen) voor muonidentificatie.
• Opmerking: Voor deze analyse werden uitsluitend data van de elektronische detectoren gebruikt.

Data-selectie en Simulatie:

• Dataperiode: Gegevens uit 2023, 2024 en 2025 voor zowel protonen als zware ionen (volledig gestripte loodkernen, $^{208}\text{Pb}^{82+}$).
• Reconstructie: Gebruik van de Hough-transformatie voor het vinden van sporen en de Kalman-filter (Genfit-pakket) voor het aanpassen van de sporen.
• Efficiëntie: De tracking-efficiëntie werd bepaald door "tagging tracks" in één subsysteem te extrapoleren naar het andere. Alleen enkelvoudige sporen werden geanalyseerd; multi-muon gebeurtenissen werden uitgesloten.
• Simulatie: Hadronbotsingen werden gesimuleerd met FLUKA en DPMJET, gevolgd door transport door de tunnel en rots met Geant4.

Berekening van de Flux:
De flux ($\Phi_\mu$) werd berekend met de formule:
$$\Phi_\mu = \frac{N_{\text{tracks}}}{A \cdot L_{\text{int}} \cdot \varepsilon}$$
Waarbij $N_{\text{tracks}}$ het aantal sporen is, $A$ het effectieve oppervlak, $L_{\text{int}}$ de geïntegreerde luminositeit en $\varepsilon$ de tracking-efficiëntie.

3. Belangrijkste Bijdragen

• Uitgebreide dataset: Dit artikel biedt de eerste uitgebreide metingen van de muonflux voor de periodes 2023-2025, inclusief nieuwe data voor zware ionen en updates voor protonen.
• Unitaire fiduciale zone: In tegenstelling tot eerdere analyses (2022), werd voor deze studie een uniforme fiduciale zone ($31 \times 31 \text{ cm}^2$) toegepast voor zowel SciFi- als DS-metingen, wat een systematische onzekerheid elimineert.
• Analyse van LHC-configuraties: Het artikel koppelt variaties in de flux aan specifieke wijzigingen in de LHC-machine-instellingen, zoals de polariteit van de triplet-magneten en het kruisingshoek-beleid.
• Identificatie van bronnen: Het onderzoek bevestigt dat een significante fractie van de muonen niet direct uit IP1 komt, maar uit verval van pionen en kaonen gegenereerd bij het element LEHR.11R1 (ongeveer 415 m stroomopwaarts), die vervolgens door de kwadrupoolmagneet MQ.11R1 naar de detector worden geleid.

4. Resultaten

De gemeten fluxen voor de centrale fiduciale zone zijn als volgt:

Protonbotsingen (in $10^{-2} \text{ nb/cm}^2$):

• 2023: $1.90 \pm 0.04$
• 2024: $3.74 \pm 0.06$ (een toename met factor ~2 t.o.v. 2023)
• 2025: $2.48 \pm 0.04$

Zware-Ionenbotsingen (in $10^4 \text{ nb/cm}^2$):

• 2023: $3.13 \pm 0.11$
• 2024: $5.54 \pm 0.17$
• 2025: $3.60 \pm 0.13$

Onzekerheidsanalyse:

• De statistische onzekerheid is verwaarloosbaar (< 1% voor protonen, < 0.1% voor zware ionen).
• De totale onzekerheid wordt gedomineerd door systematische effecten, voornamelijk de onzekerheid in de luminositeit (tot ~90% bij zware ionen) en de tracking-efficiëntie.

Vergelijking met Simulatie:

• De resultaten komen overeen met Monte Carlo-predicties binnen een marge van 10-20% voor protonen en ~5% voor zware ionen (2023).
• De grote toename in flux in 2024 wordt toegeschreven aan de omkering van de polariteit van de IR1-triplet (van FDF naar DFD), wat de magnetische lenzing veranderde en meer TeV-energetische muonen naar de detector liet reizen.

5. Betekenis en Conclusie

Deze studie levert een cruciale benchmark voor het SND@LHC-experiment. De nauwkeurige kennis van de muonflux stelt de samenwerking in staat:

1. De vervangingscyclus van de emulsiedoelen nauwkeuriger te plannen.
2. De achtergrond voor neutrino-detectie beter te modelleren en te onderdrukken.
3. De prestaties van de detector voor lage-energetische muonen te valideren, vooral tijdens zware-ionenruns.

De resultaten bevestigen dat de huidige simulaties de werkelijkheid goed benaderen, hoewel kleine afwijkingen (vooral bij protonen in 2024 en 2025) wijzen op de complexiteit van het transport van deeltjes door de LHC-tunnel en de rotslagen. De dominantie van systematische onzekerheden benadrukt de noodzaak van verdere verfijning van luminositeitsmetingen en detectorkalibratie voor toekomstige runs.