[論文レビュー] Dark matter search in a Beam-Dump eXperiment (BDX) at Jefferson Lab

M. Battaglieri, A. Bersani+102 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2016

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 14

ひとこと要約

本論文は、ジェファーソンラボのビームダムプ実験（BDX）を提案し、1 m³のセグメント化されたCsI(Tl)シンチレーター検出器をビームダムプの下流に配置することで、弾性散乱および非弾性散乱を介してMeV–GeV領域のダークマターを探索する。最大10²²個の電子対標的で、1年間に10カウント程度のダークマター相互作用に感度を示し、不可避なニュートリノ背景に近づき、既存の実験と比較して探査可能性が最大2桁向上する。

ABSTRACT

MeV-GeV dark matter (DM) is theoretically well motivated but remarkably unexplored. This proposal presents the MeV-GeV DM discovery potential for a $\sim$1 m$^3$ segmented CsI(Tl) scintillator detector placed downstream of the Hall A beam-dump at Jefferson Lab, receiving up to 10$^{22}$ electrons-on-target (EOT) in 285 days. This experiment (Beam-Dump eXperiment or BDX) would be sensitive to elastic DM-electron and to inelastic DM scattering at the level of 10 counts per year, reaching the limit of the neutrino irreducible background. The distinct signature of a DM interaction will be an electromagnetic shower of few hundreds of MeV, together with a reduced activity in the surrounding active veto counters. A detailed description of the DM particle $χ$ production in the dump and subsequent interaction in the detector has been performed by means of Monte Carlo simulations. Different approaches have been used to evaluate the expected backgrounds: the cosmogenic background has been extrapolated from the results obtained with a prototype detector running at INFN-LNS (Italy), while the beam-related background has been evaluated by GEANT4 Monte Carlo simulations. The proposed experiment will be sensitive to large regions of DM parameter space, exceeding the discovery potential of existing and planned experiments in the MeV-GeV DM mass range by up to two orders of magnitude.

研究の動機と目的

• ジェファーソンラボでのビームダムプ実験を通じて、理論的に動機づけられているが実験的に未開拓な質量範囲（MeV–GeV）の軽いダークマターを探索すること。
• 1年間に10カウント程度のダークマター相互作用に感度を示し、不可避なニュートリノ背景に近づくこと。
• 最新の検出技術と検証済みのシミュレーションを用いて、高強度電子ビームを用いたビームダムプ実験の実現可能性を示すこと。
• BDXを、これまでのビームダムプ実験の中で最も感度の高いものとすることにより、既存および計画中の実験を上回る軽いダークマターの探査範囲を実現すること。

提案手法

• 検出器は、ダークマター相互作用に起因する電磁シャワーを検出するためのセグメント化されたCsI(Tl)シンチレーター電磁カロリメーターを用いる。
• カロリメーターを取り囲むアクティブバーリエーションシステムにより、一致イベントを特定することで宇宙線背景を低減する。
• GEANT4を用いたモンテカルロシミュレーションにより、ビームダムプ内でのダークマター生成および検出器応答（電磁シャワーの発展を含む）をモデル化する。
• 宇宙背景は、INFN-LNSで実施されたプロトタイプ検出器の走行データから推定され、JLab環境への保守的外挿が行われる。
• ビーム関連背景は、ビームダムプ相互作用および検出器幾何学の詳細なGEANT4シミュレーションを用いて評価される。
• ビームおよび宇宙背景を最小限に抑えるために、遮蔽および地下の被覆を備えた新規地下施設の設計がなされ、インfra構築の費用見積もりも提示されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高強度電子ビームを用いたビームダムプ実験は、電子との弾性散乱および非弾性散乱を介してMeV–GeV領域のダークマターを検出可能か？
• RQ2 BDX実験のダークマター相互作用に対する期待感度は何か？ また、不可避なニュートリノ背景と比較するとどうなるか？
• RQ3 アクティブバーリエーションおよびカロリメーター系を含むBDX検出器設計は、宇宙線背景を効果的に低減し、背景に近い感度を達成できるか？
• RQ4 MeV–GeV領域のダークマター質量範囲において、BDXの探査可能性は既存および計画中の実験と比較してどの程度か？
• RQ5 スカラーおよびベクトル媒介子を含む軽いダークマターの理論的モデルは、BDXが探査可能な信号をどのように予測するか？

主な発見

• BDXは、1年間に10カウント程度のダークマター相互作用に感度を示し、電荷現在型電子ニュートリノ相互作用に起因する不可避な背景に近づく。
• 本実験の探査範囲は、MeV–GeV質量範囲において、既存および計画中の実験を最大2桁上回る。
• モンテカルロシミュレーションにより、ビームダムプ内でのダークマター生成およびその後の検出器内での相互作用が、現実的なシャワー発展およびエネルギー付与を伴って適切にモデル化されていることが確認された。
• INFN-LNSでのプロトタイプ検出器は、宇宙背景率の保守的推定値を提供し、それがJLabの構成に外挿されている。
• ビーム関連背景は、詳細なGEANT4シミュレーションにより適切に制御されており、検出器設計が誤検出信号を効果的に低減していることが示された。
• ジェファーソンラボのBDXは、高強度電子ビームを用いた究極のビームダムプ実験と特定され、感度はニュートリノ背景に制限されるのみである。