Development of preshower detector to seach for right-handed neutrinos at FASER

• Project Area: Exploration of Particle Physics and Cosmology with Neutrinos
• Project/Area Number: 21H00082
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: High Energy Accelerator Research Organization
• Principal Investigator: 田窪 洋介 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 素粒子原子核研究所, 研究機関講師 (50423124)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000); Fiscal Year 2022: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2021: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
• Keywords: SiGeピクセル検出器 / 新粒子 / 素粒子実験 / FASER / カロリメータ / 素粒子 / 右巻きニュートリノ / ピクセル検出器 / FASER実験 / LHC / シリコン・ピクセル検出器

Outline of Research at the Start

本研究の目的は、令和4年に実験を開始するLHC-FASER実験において右巻きニュートリノ探索を可能とすることである。これには、高精度の2光子識別能力をもつ光検出器（前段シャワー検出器）の開発が最大の課題である。本研究では、前段シャワー検出器プロトタイプのための「インターフェース基板の開発」、「試験用データ収集システムの開発」、「前段シャワー検出器プロトタイプの性能評価」、「右巻きニュートリノの探索感度の研究」に取り組む。

Outline of Annual Research Achievements

FASER実験は欧州原子核研究機構(CERN)に設置されてある大型ハドロン加速器(LHC)を用いて、MeVからGeV程度の質量を持つ新粒子を探索するための実験である。FASER実験のカロリメータは細分化されておらず、右巻きニュートリノのように新粒子が複数の光子に崩壊した場合、それらを分離して捕らえることができない。本研究者は、２光子を分離するための前段シャワー検出器の開発を目指している。この検出器にはSiGe技術を用いたモノリシック型ピクセル検出器を使用する。ピクセル・センサーへ制御信号を転送し、センサーからの信号を読み出すために、センサーとワイヤーボンドで接続されるフレキシブル基板（モジュール用基板）を使用する。そして、モジュール基板と読み出しシステムを接続するために10～40cm長のフレキシブル基板（信号転送用基板）を使用する。
２０２３年度は、前段シャワー検出器の実機に使用するためにこれらフレキシブル基板の開発を行った。それに加え、モジュール基板に電源を供給するための基板の開発も行った。２０２３年度前半は、以前作成したプロトタイプ・センサー用のモジュール基板を用いた最終試験に取り組み、修正すべき点を洗い出した。そして、２０２３年度後半はジュネーブ大学と協力して基板の設計を行い、実機に必要となる枚数分を製造した。今後、この基板を用いて実機ピクセル検出器を作成し、性能評価に取り組む。そして、２０２５年春に前段シャワー検出器をFASER実験に導入する予定になっている。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ジュネーブ大学/CERN(スイス)
• [Int'l Joint Research] University of California, Irvine(米国)
• [Int'l Joint Research] University of Geneva/CERN(スイス)
• [Int'l Joint Research] Mainz University(ドイツ)
• [Journal Article] Search for dark photons with the FASER detector at the LHC (2024)
  • Author(s): FASER Collaboration
  • Journal Title: Physics Letters B Volume: 848 Pages: 138378-138378
  • DOI: 10.1016/j.physletb.2023.138378
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] First Direct Observation of Collider Neutrinos with FASER at the LHC (2023)
  • Author(s): FASER Collaboration
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 131 Issue: 3 Pages: 31801-31801
  • DOI: 10.1103/physrevlett.131.031801
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] New constraint on dark photon at T2K off-axis near detector (2023)
  • Author(s): Araki Takeshi、Asai Kento、Iizawa Tomoya、Otono Hidetoshi、Shimomura Takashi、Takubo Yosuke
  • Journal Title: Journal of High Energy Physics Volume: 2023 Issue: 11 Pages: 1-18
  • DOI: 10.1007/jhep11(2023)056
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] First neutrino interaction candidates at the LHC (2021)
  • Author(s): T. Ariga, T. Nakano, H. Rokujo, O. Sato et al. (FASER Collaboration)
  • Journal Title: Phys. Rev. D Volume: 104 Issue: 9 Pages: 091101-091101
  • DOI: 10.1103/physrevd.104.l091101
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The trigger and data acquisition system of the FASER experiment (2021)
  • Author(s): FASER Collaboration
  • Journal Title: Journal of Instrumentation Volume: 16 Issue: 12 Pages: P12028-P12028
  • DOI: 10.1088/1748-0221/16/12/p12028
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] LHC-FASER実験における新粒子探索の現状と将来の展望 (2023)
  • Author(s): 田窪洋介
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
• [Presentation] Detecting and studying three-flavor neutrinos with FASER at LHC (2023)
  • Author(s): Yosuke Takubo
  • Organizer: TAUP2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of FASER preshower detector to search for right-handed neutrinos (2022)
  • Author(s): 田窪洋介
  • Organizer: ニュートリノ新学術研究会
  • Invited
• [Presentation] LHC-FASER実験用SiGe-BiCMOSモノリシック型ピクセル検出器の開発 (2022)
  • Author(s): 田窪洋介
  • Organizer: 測定器開発プラットフォーム シリコン検出器班 第四回ミーティング
  • Invited
• [Presentation] LHC-FASER実験用シリコン検出器のコミッショニング状況とアップグレード計画 (2021)
  • Author(s): 田窪洋介
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
• [Remarks] FASERのオフィシャル・サイト
  • URL: https://faser.web.cern.ch/index.php/
• [Remarks] FASER Japan
  • URL: https://faser-japan.org/
• [Remarks] FASER KEK
  • URL: https://faser.kek.jp/
• [Remarks] FASER Japan
  • URL: https://faser.kek.jp/