[論文レビュー] Dark matter search in a Beam-Dump eXperiment (BDX) at Jefferson Lab: an update on PR12-16-001

M. Battaglieri, A. Bersani+124 more|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、ジェファーソンラボのBDXダークマター実験におけるビームオンバックグラウンドの更新された評価を提示し、FLUKAシミュレーションを用いて低確率の粒子相互作用を検証し、ビームダンプの下流でミューオンフラックスを副次的測定するためのプロトタイプ検出器（BDX-Hodo）を提案する。このテストは、宇宙背景よりもビーム由来のミューオンが支配的であることを確認し、主要なBDX実験におけるシミュレーションツールおよび検出器技術の妥当性を裏付け、ホール-Aの運用に最小限の影響を与える。

ABSTRACT

This document is an update to the proposal PR12-16-001 Dark matter search in a Beam-Dump eXperiment (BDX) at Jefferson Lab submitted to JLab-PAC44 in 2016 reporting progress in addressing questions raised regarding the beam-on backgrounds. The concerns are addressed by adopting a new simulation tool, FLUKA, and planning measurements of muon fluxes from the dump with its existing shielding around the dump. First, we have implemented the detailed BDX experimental geometry into a FLUKA simulation, in consultation with experts from the JLab Radiation Control Group. The FLUKA simulation has been compared directly to our GEANT4 simulations and shown to agree in regions of validity. The FLUKA interaction package, with a tuned set of biasing weights, is naturally able to generate reliable particle distributions with very small probabilities and therefore predict rates at the detector location beyond the planned shielding around the beam dump. Second, we have developed a plan to conduct measurements of the muon ux from the Hall-A dump in its current configuration to validate our simulations.

研究の動機と目的

• JLab-PAC44が提起したBDXダークマター実験におけるビームオンバックグラウンド推定に関する懸念を解決する。
• GEANT4ベースのバックグラウンド予測の信頼性を、独立したシミュレーションツールであるFLUKAを用いて検証する。
• 提案されたBDX検出器技術の実現可能性と感度を、現実的で高バックグラウンドな環境において示す。
• 実際の状況でビーム由来ミューオンフラックスを測定し、全スケールのBDX展開の前にシミュレーションモデルのキャリブレーションと検証を行う。
• 宇宙および環境的バックグラウンドが、ビーム由来ミューオンと比較して無視できるほど小さいことを確認し、ダークマター検出における偽陽性率の低減を保証する。

提案手法

• JLab放射線管理グループの専門家と協力し、BDX実験の全幾何構造をFLUKAシミュレーションに実装する。
• 有効範囲の重複領域において、FLUKAの結果と従来のGEANT4シミュレーション結果を直接比較し、一貫性を確認する。
• 希少な粒子生成率をダンプ遮蔽の外側で信頼性高く予測するために、FLUKAの調整済み相互作用パッケージとバイアス重みを用いる。
• ミューオン検出のため、BDX ECalのCsI(Tl)結晶をシンチレーション層ではさむ形で、プロトタイプ検出器（BDX-Hodo）を設計・製作する。
• ビームダンプから25.2 mおよび28 m下流に2か所の試験用穴（ウェル）を掘削し、BDX-Hodo検出器をビーム高さに降下させて現地測定を実施する。
• 1–100 μAのビーム電流で副次的ビーム時間測定を実施し、ミューオン率のスケーリングとシミュレーション予測の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FLUKAシミュレーションは、特に低確率プロセスに関して、BDX実験におけるビームオンバックグラウンド率を正確に予測できるか？
• RQ2 11 GeVの電子ビームがホール-Aのビームダンプで発生させる、BDX検出器位置に相当する距離における実際のミューオンフラックスはどの程度か？
• RQ3 提案されたBDX地下施設において、ビーム由来ミューオンと宇宙ミューオンおよび中性子バックグラウンドはどのように比較されるか？
• RQ4 BDX-Hodo検出器プロトタイプは、環境的バックグラウンドの影響をほとんど受けずに、現実の遮蔽環境でビーム由来ミューオンを信頼性高く測定できるか？
• RQ5 このテスト測定は、ホール-Aの物理学プログラムと並行して副次的に行える程度にまで、既存運用への影響を最小限に抑えることができるか？

主な発見

• FLUKAシミュレーションは、重複する有効範囲においてGEANT4の結果と良好に一致しており、両方のシミュレーションツールがバックグラウンド推定に信頼性を有することを確認した。
• ダンプから25.2 m下流におけるビーム由来ミューオンフラックスは、10 μAビーム電流で約3.7 kHzと予想され、顕著なビームオンバックグラウンドレベルであることが確認された。
• 28 m下流では、ミューオンフラックスが約0.5 kHzと推定され、遮蔽効果がバックグラウンドレートの低減に有効であることが示された。
• 宇宙ミューオン率は無視できるほど低く（0.56 Hz）、ビーム由来信号検出に干渉しない。宇宙および環境的バックグラウンドはすべて1 Hz未満である。
• CsI(Tl)結晶とシンチレーション層を用いたBDX-Hodo検出器は、高バックグラウンド環境でも効果的に動作すると予想され、主実験におけるその利用価値が裏付けられた。
• テスト測定はホール-A運用と並行して副次的に行える。ビーム時間は約4日間で、複数の電流設定を用いて率スケーリングの検証が可能である。