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

Este trabalho apresenta as medições do fluxo de múons no experimento SND@LHC durante os períodos de colisões de prótons e íons pesados de 2023 a 2025, fornecendo resultados essenciais para a caracterização de ruídos de fundo e a gestão do alvo de emulsão, os quais estão em concordância com as previsões de simulação Monte Carlo.

O essencial

Imagine que o Grande Colisor de Hádrons (LHC) é uma máquina de fazer "tempestades" de partículas subatômicas. O experimento SND@LHC é como um "para-choques" ou um detector de chuva instalado a 480 metros de distância do ponto onde essas tempestades acontecem.

O objetivo principal desse detector é caçar neutrinos (partículas fantasma que quase não interagem com nada). Mas, para encontrar esses fantasmas, eles precisam lidar com um problema enorme: o "ruído" da festa. Esse ruído são os múons.

Pense nos múons como uma chuva torrencial de balas de canhão que vem junto com os neutrinos. Eles são o principal "inimigo" (ou fundo) da pesquisa, porque são muito mais comuns e podem confundir os sensores. Além disso, essa chuva de múons é tão forte que desgasta o filme fotográfico especial (chamado emulsão) usado no detector, obrigando a equipe a trocá-lo com frequência.

O que este artigo conta?

Os cientistas do SND@LHC fizeram uma contagem rigorosa dessa "chuva de múons" durante os anos de 2023, 2024 e 2025. Eles mediram quantos múons passavam por uma área específica do detector em dois tipos de "tempestades":

1. Colisões de Prótons: Como uma chuva leve e constante.
2. Colisões de Íons Pesados (Chumbo): Como um furacão massivo, com muito mais partículas.

Os Resultados Principais (em linguagem simples):

• A Medida: Eles contaram quantos múons passavam por centímetro quadrado.
  • Nas colisões de prótons, a chuva é leve (cerca de 0,02 múons por cm²).
  • Nas colisões de íons pesados, a chuva é uma inundação (cerca de 30.000 a 50.000 múons por cm²!).
• A Surpresa de 2024: Em 2024, a "chuva" de prótons dobrou de intensidade em comparação a 2023. Por quê? A equipe do LHC mudou a "polaridade" dos ímãs gigantes que guiam as partículas (como mudar a direção de um rio). Essa mudança fez com que mais múons fossem direcionados para o detector.
• A Precisão: A contagem foi feita com tanta precisão que a margem de erro estatística (o "chute" aleatório) é quase zero (menos de 1%). O maior erro vem de fatores sistemáticos, como saber exatamente o quão eficiente o detector foi em ver cada partícula.
• A Origem: Descobriram que muitos desses múons não vêm diretamente do ponto de colisão principal, mas sim de uma "fábrica secundária" de partículas a cerca de 400 metros de distância, onde ímãs específicos capturam e redirecionam essas partículas para o detector.

Por que isso importa?

1. Para a Caça aos Neutrinos: Saber exatamente quantos "balas de canhão" (múons) estão passando ajuda os cientistas a filtrar o ruído e encontrar os "fantasmas" (neutrinos) com mais clareza.
2. Para a Vida do Detector: Como os múons desgastam o filme fotográfico, saber a taxa de chuva ajuda a equipe a planejar quando trocar o filme para não perder dados importantes.
3. Para a Física: Os resultados batem muito bem com as previsões dos computadores (simulações), o que confirma que entendemos bem como as partículas se comportam nessa região extrema do universo.

Em resumo:
Este artigo é como um relatório meteorológico detalhado de uma região específica do LHC. Ele diz: "Atenção, em 2024 choveu o dobro de múons do que em 2023 porque mudamos os ímãs. Em 2025, voltamos ao normal, mas com uma leve variação." Essa informação é vital para garantir que o detector continue funcionando perfeitamente e para que os cientistas possam continuar descobrindo os segredos mais profundos da matéria.

Resumo técnico

1. Problema e Contexto

O experimento SND@LHC (Scattering and Neutrino Detector) foi projetado para detectar neutrinos de alta energia na região de pseudorapidez frontal ($7.2 < \eta < 8.4$) produzidos por colisões no ponto de interação IP1 do LHC (ATLAS).

• Desafio Principal: A vasta maioria dos eventos observados no detector provém de múons que passam, constituindo o principal fundo para a busca de neutrinos.
• Impacto Operacional: A exposição excessiva dos filmes de emulsão nuclear (que compõem o alvo do detector) exige a substituição regular do alvo. A frequência dessas substituições depende diretamente da taxa de múons.
• Objetivo: Uma caracterização precisa do fluxo de múons é essencial para modelar o fundo, otimizar a operação do detector e validar a resposta do sistema a múons de baixa energia, especialmente durante colisões de íons pesados.

2. Metodologia

O estudo baseia-se em dados coletados entre 2023 e 2025, abrangendo colisões de prótons e íons pesados (chumbo totalmente estriado, $^{208}\text{Pb}^{82+}$).

• Detector: O SND@LHC é um sistema híbrido localizado a ~480 m do IP1, protegido por rocha e campos magnéticos. O sistema de detecção utilizado para esta análise inclui:
  • Sistema de Veto: Planos de barras de cintilador para identificar partículas carregadas.
  • Rastreador de Fibras Cintilantes (SciFi): Intercalado com câmaras de nuvens de emulsão (ECC), fornecendo medições precisas de posição.
  • Sistema de Múons a Montante (US) e a Jusante (DS): Composto por blocos de ferro e planos de cintiladores para identificação e medição de posição.
  • Nota: Em 2025, foram instalados tubos de deriva (mDT), mas seus dados não foram utilizados nesta análise específica.
• Reconstrução de Trajetórias:
  • Utilização do Transformada de Hough para encontrar candidatos a trajetórias a partir dos "hits" nos detectores.
  • Ajuste de trajetória (fitting) realizado via Filtro de Kalman (pacote Genfit) em planos XZ e YZ separadamente.
  • Apenas eventos de trajetória única foram considerados para evitar ambiguidades.
• Eficiência e Seleção:
  • A eficiência de rastreamento foi estimada comparando trajetórias entre os subsistemas SciFi e DS (método "tag-and-candidate").
  • Foi definida uma área fiducial de $31 \times 31 \text{ cm}^2$ ($-42 \text{ cm} \le X \le -11 \text{ cm}$ e $18 \text{ cm} \le Y \le 49 \text{ cm}$) onde a eficiência é uniforme.
• Simulações (Monte Carlo):
  • Colisões hadrônicas simuladas com FLUKA e DPMJET.
  • Transporte de partículas através da rocha e do túnel até o detector realizado com Geant4.
  • Para íons pesados, o modelo combina interações nucleares (NI) e dissociação eletromagnética (EMD).

3. Contribuições Chave

• Medições Atualizadas: Fornece os primeiros resultados de fluxo de múons para o período de 2023-2025, atualizando os dados de 2022.
• Análise de Íons Pesados: Apresenta medições detalhadas para colisões de íons pesados (Pb-Pb), que oferecem condições ideais para estudar a resposta do detector a múons de baixa energia.
• Caracterização de Configurações do LHC: Analisa o impacto das mudanças na configuração do LHC (Run 3) no fluxo de múons, especificamente:
  • A reversão da polaridade do triplet IR1 em 2024 (de FDF para DFD).
  • A introdução do "anti-leveling" de ângulo de cruzamento em 2025.
• Identificação de Fontes de Fundo: Identificou que parte significativa do fluxo de múons em colisões de íons pesados não vem do IP1, mas de decaimentos de píons e káons gerados a ~60 m a montante (na região LEHR.11R1), sendo direcionados pelo quadrupolo MQ.11R1.

4. Resultados Principais

O fluxo de múons ($\Phi_\mu$) foi medido na área fiducial central. As incertezas são dominadas por efeitos sistemáticos (luminosidade e eficiência), com a componente estatística sendo inferior a 1%.

Colisões de Prótons (Unidade: $10^{-2} \text{ nb/cm}^2$):

• 2023: $(1.90 \pm 0.04) \times 10^{-2}$
• 2024: $(3.74 \pm 0.06) \times 10^{-2}$ (Aumento de ~2x devido à mudança de configuração do LHC).
• 2025: $(2.48 \pm 0.04) \times 10^{-2}$

Colisões de Íons Pesados (Unidade: $10^{4} \text{ nb/cm}^2$):

• 2023: $(3.13 \pm 0.11) \times 10^{4}$
• 2024: $(5.54 \pm 0.17) \times 10^{4}$
• 2025: $(3.60 \pm 0.13) \times 10^{4}$

Comparação com Simulações:

• Os resultados estão em acordo com as previsões do Monte Carlo dentro de ~10-20% para prótons e ~5% para íons pesados (2023).
• O aumento do fluxo em 2024 é atribuído à inversão da polaridade do triplet IR1, que permitiu que mais múons de energia TeV atingissem o detector.

5. Significância

• Validação de Modelos: A concordância entre dados e simulações valida os modelos de propagação de partículas através da rocha e do túnel do LHC, bem como a compreensão das interações hadrônicas e eletromagnéticas.
• Otimização do SND@LHC: As medições precisas permitem calcular com exatidão a taxa de exposição das emulsões, otimizando o cronograma de substituição do alvo e garantindo a eficiência da busca por neutrinos.
• Entendimento do Fundo: A caracterização detalhada do fluxo de fundo de múons é crítica para a subtração precisa de eventos de fundo nas análises de neutrinos do futuro.
• Diagnóstico de Máquina: O estudo demonstra como mudanças operacionais no LHC (configuração de ímãs e ângulo de cruzamento) impactam diretamente o ambiente de radiação em detectores de frente, fornecendo feedback valioso para a operação da máquina.