Measurement of the muon flux at the SND@LHC experiment

Abstract

Abstract The Scattering and Neutrino Detector at the LHC (SND@LHC) started taking data at the beginning of Run 3 of the LHC. The experiment is designed to perform measurements with neutrinos produced in proton-proton collisions at the LHC in an energy range between 100 GeV and 1 TeV. It covers a previously unexplored pseudo-rapidity range of $$7.2&lt;\eta &lt;8.4$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mn>7.2</mml:mn> <mml:mo>&lt;</mml:mo> <mml:mi>η</mml:mi> <mml:mo>&lt;</mml:mo> <mml:mn>8.4</mml:mn> </mml:mrow> </mml:math> . The detector is located 480 m downstream of the ATLAS interaction point in the TI18 tunnel. It comprises a veto system, a target consisting of tungsten plates interleaved with nuclear emulsion and scintillating fiber (SciFi) trackers, followed by a muon detector (UpStream, US and DownStream, DS). In this article we report the measurement of the muon flux in three subdetectors: the emulsion, the SciFi trackers and the DownStream Muon detector. The muon flux per integrated luminosity through an 18 $$\times $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mo>×</mml:mo> </mml:math> 18 cm $$^{2}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msup> <mml:mrow/> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:msup> </mml:math> area in the emulsion is: $$\begin{aligned} 1.5 \pm 0.1(\text {stat}) \times 10^4\,\text {fb/cm}^{2}. \end{aligned}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mtable> <mml:mtr> <mml:mtd> <mml:mrow> <mml:mn>1.5</mml:mn> <mml:mo>±</mml:mo> <mml:mn>0.1</mml:mn> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mtext>stat</mml:mtext> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:msup> <mml:mn>10</mml:mn> <mml:mn>4</mml:mn> </mml:msup> <mml:mspace/> <mml:msup> <mml:mtext>fb/cm</mml:mtext> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:msup> <mml:mo>.</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mtd> </mml:mtr> </mml:mtable> </mml:mrow> </mml:math> The muon flux per integrated luminosity through a 31 $$\times $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mo>×</mml:mo> </mml:math> 31 cm $$^{2}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msup> <mml:mrow/> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:msup> </mml:math> area in the centre of the SciFi is: $$\begin{aligned} 2.06\pm 0.01(\text {stat})\pm 0.12(\text {sys}) \times 10^{4} \text {fb/cm}^{2} \end{aligned}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mtable> <mml:mtr> <mml:mtd> <mml:mrow> <mml:mn>2.06</mml:mn> <mml:mo>±</mml:mo> <mml:mn>0.01</mml:mn> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mtext>stat</mml:mtext> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mo>±</mml:mo> <mml:mn>0.12</mml:mn> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mtext>sys</mml:mtext> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:msup> <mml:mn>10</mml:mn> <mml:mn>4</mml:mn> </mml:msup> <mml:msup> <mml:mtext>fb/cm</mml:mtext> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:mtd> </mml:mtr> </mml:mtable> </mml:mrow> </mml:math> The muon flux per integrated luminosity through a 52 $$\times $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mo>×</mml:mo> </mml:math> 52 cm $$^{2}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msup> <mml:mrow/> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:msup> </mml:math> area in the centre of the downstream muon system is: $$\begin{aligned} 2.35\pm 0.01(\text {stat})\pm 0.10(\text {sys}) \times 10^{4}\,\text {fb/cm}^{2} \end{aligned}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mtable> <mml:mtr> <mml:mtd> <mml:mrow> <mml:mn>2.35</mml:mn> <mml:mo>±</mml:mo> <mml:mn>0.01</mml:mn> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mtext>stat</mml:mtext> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mo>±</mml:mo> <mml:mn>0.10</mml:mn> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mtext>sys</mml:mtext> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:msup> <mml:mn>10</mml:mn> <mml:mn>4</mml:mn> </mml:msup> <mml:mspace/> <mml:msup> <mml:mtext>fb/cm</mml:mtext> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:mtd> </mml:mtr> </mml:mtable> </mml:mrow> </mml:math> The total relative uncertainty of the measurements by the electronic detectors is 6 $$\%$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mo>%</mml:mo> </mml:math> for the SciFi and 4 $$\%$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mo>%</mml:mo> </mml:math> for the DS measurement. The Monte Carlo simulation prediction of these fluxes is 20–25 $$\%$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mo>%</mml:mo> </mml:math> lower than the measured values.