[論文レビュー] A facility to Search for Hidden Particles (SHiP) at the CERN SPS

SHiP Collaboration, M. Anelli+234 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 110被引用数 269

ひとこと要約

本論文は、標準模型を超える理論で予言される、未知の粒子（Exotic, 長寿命、弱い力でしか相互作用しない粒子）を探索するため、CERNのSPS加速器にSHiP施設を提案する。400 GeVの高強度陽子ビームを用い、長大な真空崩壊タンクと分光計を備えた専用検出器システムにより、希少な未知粒子の崩壊を検出する。質量が10 GeV/c²未満の範囲で、混合パラメータ（U²）の感度を10⁻⁹まで達成し、既存および計画中の実験を桁違いに上回る感度を実現する。

ABSTRACT

A new general purpose fixed target facility is proposed at the CERN SPS accelerator which is aimed at exploring the domain of hidden particles and make measurements with tau neutrinos. Hidden particles are predicted by a large number of models beyond the Standard Model. The high intensity of the SPS 400~GeV beam allows probing a wide variety of models containing light long-lived exotic particles with masses below ${\cal O}$(10)~GeV/c$^2$, including very weakly interacting low-energy SUSY states. The experimental programme of the proposed facility is capable of being extended in the future, e.g. to include direct searches for Dark Matter and Lepton Flavour Violation.

研究の動機と目的

• 標準模型を超える理論で予測される広範な隠れたセクター粒子、特に長寿命のエキゾチック状態や低エネルギーSUSY候補者を探索すること。
• 質量が10 GeV/c²未満の非常に弱く相互作用する粒子を検出する課題に取り組み、それがコライダー実験では到達できない領域であることを明らかにすること。
• 将来のダークマター探索やレプトンフラバー違反研究への応用を想定し、高感度で新しい物理学を探索可能な施設を設計すること。
• 既存の固定標的実験と比較して、背景抑制能力と幾何的受容度に優れた専用の実験プラットフォームを提供すること。
• タウニュートリノの性質の高精度測定と、隠れた粒子を含む希少崩壊の探索を可能にすること。

提案手法

• CERN SPSの高強度400 GeV陽子ビームを用い、固定標的領域でエキゾチック粒子を生成する。
• 長大な真空崩壊タンク（最大100 m）を設置し、長寿命粒子が検出前に崩壊するのを許容することで、ずれた頂点による同定を可能にする。
• 粒子識別検出器を備えた分光計を用い、崩壊生成物を再構築し、信号とバックグラウンドを区別する。
• 安全な運用と効率的なビーム供給を実現するため、高度な放射線防護およびビームライン設計を採用する。
• 高グレイン化と低材料バジェットを実現するモジュラー検出器構成を採用し、検出効率を最大化するとともにバックグラウンドを最小限に抑える。
• コスト低減と実現可能性の向上を図るため、既存のCERNインfrastrutureとビーム共有スキームを活用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 質量が10 GeV/c²未満で、混合パラメータU²が10⁻⁹まで達する長寿命の隠れた粒子をSHiPがどの程度の感度で検出可能か？
• RQ2 NA62のような既存の固定標的実験やFNALのPIP-IIビームラインのような将来の施設と比較して、SHiPの感度はどの程度か？
• RQ3 特に中間ボソン質量の閾値未満において、HNLの崩壊でほぼゼロのバックグラウンドを達成できるか？
• RQ4 100 mの崩壊体積内での、可視最終状態に崩壊する隠れた粒子の予想出力および検出効率はどの程度か？
• RQ5 SPSビームラインおよびインフラを専用SHiP施設に適合させる技術的・コスト的影響は何か？

主な発見

• SHiPは、質量が10 GeV/c²未満の隠れた中性レプトン（HNL）に対して、U²の統計的感度が約10⁻⁹に達し、既存実験を15倍以上上回る感度を実現する。
• SHiPの年間統合陽子強度は、1回のスパイルあたり4×10¹⁴プロトン、年間総量で4×10¹⁶プロトンに達すると推定され、NA62の現在の限界の40倍に相当する。
• HNLの幾何的受容度は、検出器を80 mに移動させた場合、NA62に比べて約8倍大きい。これは、より長い崩壊パスと最適化された幾何構成によるものである。
• バックグラウンドをゼロと仮定しても、SHiPのHNLに対する感度は、FNALのPIP-IIビームラインのそれよりも10倍以上優れている。これは、優れたビーム強度と低いバックグラウンドレベルによるものである。
• コライダー実験（例：LHC）のHNL検出感度は、出力が低くバックグラウンドが高いため、SHiPに比べて約200倍劣ると推定される。
• 施設は、将来のダークマター探索やレプトンフラバー違反研究への拡張を可能にするように設計されており、スケーラブルかつモジュラーな検出器アーキテクチャを採用している。