[論文レビュー] Dark Sector Physics at High-Intensity Experiments

Stefania Gori, M. Williams+11 more|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 13

ひとこと要約

この論文は、弱く結合する低質量のダークマターおよびその媒介粒子を、多目的検出器（例：Belle-II、LHCb）と専用実験（CCM200、LDMX）を用いて包括的かつ高強度の実験計画を提唱する。今後予定される強度フロントア系実験が、熱的ダークマター、長寿命粒子、およびミュオンのg−2の異常を説明するモデルを含む、広大なダークセクターのパrameter空間をカバーできることを示し、標準模型を超える新しい物理の探求を顕著に前進させる。

ABSTRACT

Is Dark Matter part of a Dark Sector? The possibility of a dark sector neutral under Standard Model (SM) forces furnishes an attractive explanation for the existence of Dark Matter (DM), and is a compelling new-physics direction to explore in its own right, with potential relevance to fundamental questions as varied as neutrino masses, the hierarchy problem, and the Universe's matter-antimatter asymmetry. Because dark sectors are generically weakly coupled to ordinary matter, and because they can naturally have MeV-to-GeV masses and respect the symmetries of the SM, they are only mildly constrained by high-energy collider data and precision atomic measurements. Yet upcoming and proposed intensity-frontier experiments will offer an unprecedented window into the physics of dark sectors, highlighted as a Priority Research Direction in the 2018 Dark Matter New Initiatives (DMNI) BRN report. Support for this program -- in the form of dark-sector analyses at multi-purpose experiments, realization of the intensity-frontier experiments receiving DMNI funds, an expansion of DMNI support to explore the full breadth of DM and visible final-state signatures (especially long-lived particles) called for in the BRN report, and support for a robust dark-sector theory effort -- will enable comprehensive exploration of low-mass thermal DM milestones, and greatly enhance the potential of intensity-frontier experiments to discover dark-sector particles decaying back to SM particles.

研究の動機と目的

• 標準模型を超える新しい物理、特にダークマター、ニュートリノ質量、宇宙論的非対称性に起因する弱く結合する低質量の新物理のダークセクター探査を進める。
• ミュオン(g−2)μや短基長ニュートリノ振動といった異常を説明するダークセクター・モデルへの実験的アクセスを特定・優先順位付けする。
• ダークセクター分析、DMNIプログラムの可視最終状態および長寿命粒子への拡張、強固な理論的支援を含む、協働的で4本の柱となる実験戦略を提唱する。
• 熱的ダークマターのマイルストーンおよび、標準模型粒子に崩壊するベクトルおよび(準)スカラ媒介粒子に対する感度向上を包括的にカバーできるようにする。
• LDMXなどの主要実験が、感度を失う前に低質量ダークマター領域を探索できるよう、早期に完成させることが不可欠である。

提案手法

• 高ビーム強度、高精度の計測装置、最適化された検出器幾何学を活用し、弱く結合する低質量のダークセクターを探索する強度フロントア系実験を活用する。
• Belle-II や LHCb などの多目的検出器を用いて、通常の物質に崩壊するGeVスケールのダークマターおよび媒介粒子の広大なパラメータ空間を効率的にカバーする。
• 最小限のリソース（数名の物理学者）で済む多目的実験におけるトリガー最適化および解析アップグレードを実施し、ダークセクター信号に対する感度を向上させる。
• CCM200（陽子ビーム再散乱）や LDMX（電子ビーム欠落運動量）といった専用実験の設計および資金支援を実施し、低質量熱的ダークマターおよび長寿命粒子を探索する。
• 標準模型－ダークセクター相互作用を媒介するポータルを用いてダークセクター・モデルを分類し、弱結合と強結合の領域（例：iDM および SIMPs）を区別する。
• 稼働中、米国で計画中、国際的主導、将来の実験を含む範囲広い実験の感度を予測し、パラメータ空間における実験計画の全範囲をマップする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高強度実験は、高エネルギー衝突実験や精密原子測定では到達できない領域を含み、低質量熱的ダークマターの全パラメータ空間をカバーできるか？
• RQ2 CCM200 や LDMX といった今後の実験が、低質量ダークマター領域および標準模型最終状態に崩壊する長寿命ダークセクター粒子をどの程度効果的に探査できるか？
• RQ3 強度フロントア系実験は、非最小なフラバー依存性結合を持つモデルを含め、ミュオン(g−2)μ異常を説明するモデルをどの程度効果的に探査できるか？
• RQ4 既存および計画中の実験は、クォークおよびレプトンへのフラバー違反結合を持つアキソン様粒子（ALPs）をどの程度探査できるか？
• RQ5 統合された実験計画は、3→2散乱または共存化によって実現可能な残存密度を予測するiDM や SIMPs といった弱結合および強結合ダークセクター・モデルを包括的にテストできるか？

主な発見

• CCM200 は完了し、すでに稼働しており、低質量ダークセクター物理学への即時アクセスが可能となった。
• LDMX はまだ予備計画段階にとどまっているが、低質量熱的ダークマター領域を完全に探査するための独自でコスト効果の高い道筋を提供しており、早期の建設資金確保が不可欠である。
• Belle-II や LHCb などの多目的検出器は、最小限の追加リソースでGeVスケールのダークマターおよび標準模型粒子に崩壊する媒介粒子の広大なパラメータ空間を効率的にカバーできる。
• 提案された実験計画は、共存化によって、および3→2散乱によって実現可能な残存密度を予測するiDMおよびSIMPモデルの許容パラメータ空間の大部分をカバーできる。
• 高強度実験は、クォークおよびレプトンへのフラバー違反相互作用を含む、広範なアキソン様粒子（ALP）結合を探査でき、宇宙物理学的制約を補完・拡張する。
• 米国主導および国際的プロジェクトを含む統合された実験的アプローチにより、特に非最小なフラバー依存性結合を持つモデルにおいて、ミュオン(g−2)μの異常を説明する新しい物理の発見または除外が可能になる。