Investigation of background signal from particle loss for novel gravitational experiment at the LHC

The LHC-g experiment aims to measure the gravitational effect generated by the ultra- relativistic proton beam of the Large Hadron Collider, using a pendulum-like sensor positioned in the proximity of the beam in the IR3 insertion region. Since the expected gravitational signal is of the order of 10−31 kg · m · s−1, any direct proton impact on the sensor would produce an overwhelming background, with a momentum transfer approximately 17 orders of magnitude larger than the signal. The complete suppression of beam-induced losses at the sensor location is therefore a fundamental requirement of the experiment. This work presents a comprehensive simulation study of beam-induced particle losses at the LHC-g sensor location, performed under High Luminosity LHC (HL-LHC) opera- tional conditions. Three independent sources of beam losses are considered: the IR3 momentum cleaning region, the IR7 betatron cleaning region, and the four LHC interaction points, covering both elastic and inelastic proton-proton collisions. Simulations are carried out using the Xsuite framework with the Everest collimation engine, and the Xsuite-FLUKA coupling for the interaction point contributions. The results show that the proposed shielding configuration, consisting of a stack of three tungsten absorbers upstream of the sensor, with the sensor positioned at 36 σ from the beam center, effectively suppresses all beam-induced losses. The sensor records zero direct proton impacts across all simulated scenarios. The dominant contribution arises from the IR3 momentum cleaning region, while the interaction point contributions yield no impacts on the collimators of interest. These findings support the feasibility of the LHC-g experiment from a beam background perspective and provide a quantitative basis for future developments.

L’esperimento LHC-g si propone di misurare l’effetto gravitazionale generato dal fascio di protoni ultra-relativistici del Large Hadron Collider, utilizzando un sensore di tipo pendolo posizionato in prossimità del fascio nella insertion region IR3. Poiché il segnale gravitazionale atteso è dell’ordine di 10−31 kg · m · s−1, qualsiasi impatto diretto di un protone sul sensore produrrebbe un rumore di fondo predominante, con un trasferimento di quantità di moto circa 17 ordini di grandezza superiore al segnale. La completa soppressione delle perdite di fascio indotte nella posizione del sensore rappresenta quindi un requisito fondamentale dell’esperimento. Questo lavoro presenta uno studio di simulazione delle perdite di particelle indotte dal fascio nella posizione del sensore LHC-g, eseguito nelle condizioni operative dell’High Luminosity LHC (HL-LHC). Vengono considerate tre sorgenti indipendenti di perdite: la regione di momentum cleaning in IR3, la regione di betatron cleaning in IR7, e i quattro punti di interazione dell’LHC, per collisioni elastiche e anelastiche protone-protone. Le simulazioni sono effettuate utilizzando il framework Xsuite con il motore di scattering Everest, e il codice FLUKA per i contributi dai punti di interazione. I risultati mostrano che la configurazione di schermatura proposta, composta da una serie di tre assorbitoti di tungsteno a monte del sensore, con il sensore posizionato a 36 σ dal centro del fascio, sopprime efficacemente tutte le perdite di fascio indotte. Il sensore non registra alcun impatto diretto di protoni in nessuno degli scenari simulati. Il contributo dominante proviene dalla regione di momentum cleaning in IR3, mentre i contributi dai punti di interazione non producono impatti sui collimatori di interesse. Questi risultati supportano la fattibilità dell’esperimento LHC-g dal punto di vista delle perdite del fascio e forniscono una base quantitativa per gli sviluppi futuri.