[論文レビュー] Dark Sectors and New, Light, Weakly-Coupled Particles

Rouven Essig, J. A. Jaros+87 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2013

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 5被引用数 157

ひとこと要約

この論文は、強いCP問題やダークマター、天体的異常を解明する可能性を秘めた、軽量で弱く結合するダークセクター粒子（例：アキソン、アキソン様粒子、ダークフォトン、1 GeV未満のダークマター）を、強度フロントアプローチを用いて発見するための包括的な実験的・理論的枠組みを提案する。既存および近い将来の実験が、光再生、ビームダンプ、マイクロ波キャビティにおける感度の高い検出技術を活用することで、わずかな投資で広範なパラメータ空間を探索可能であり、ダークマター、強いCP問題、天体的異常の解消への道筋を示している。

ABSTRACT

Dark sectors, consisting of new, light, weakly-coupled particles that do not interact with the known strong, weak, or electromagnetic forces, are a particularly compelling possibility for new physics. Nature may contain numerous dark sectors, each with their own beautiful structure, distinct particles, and forces. This review summarizes the physics motivation for dark sectors and the exciting opportunities for experimental exploration. It is the summary of the Intensity Frontier subgroup "New, Light, Weakly-coupled Particles" of the Community Summer Study 2013 (Snowmass). We discuss axions, which solve the strong CP problem and are an excellent dark matter candidate, and their generalization to axion-like particles. We also review dark photons and other dark-sector particles, including sub-GeV dark matter, which are theoretically natural, provide for dark matter candidates or new dark matter interactions, and could resolve outstanding puzzles in particle and astro-particle physics. In many cases, the exploration of dark sectors can proceed with existing facilities and comparatively modest experiments. A rich, diverse, and low-cost experimental program has been identified that has the potential for one or more game-changing discoveries. These physics opportunities should be vigorously pursued in the US and elsewhere.

研究の動機と目的

• 標準模型の自然な拡張としてダークセクターの存在を動機づけること。これにより、強いCP問題やダークマターといった未解決の問題に対処できる。
• アキソン、アキソン様粒子、ダークフォトンなどの軽量で弱く結合する粒子を、ダークマターおよび新しい物理の有力候補として特定すること。
• 既存およびアップグレードされた施設を活用して、これらの粒子を探索する焦点的で低コストの実験プログラムを提唱すること。
• 特に光子結合および運動混合を通じて、理論と実験の連携がダークセクターの素粒子物理学にどのように促進されるかを強調すること。
• 米国がこの新興分野で世界的なリーダーとなるよう、ダークセクター探索の実験的取り組みを継続的かつ拡大することを位置づけること。

提案手法

• アキソン探索のために当初設計されたマイクロ波キャビティ実験および光を壁の向こうに通す実験（light-shining-through-walls）を、光再生によるダークフォトンの検出に再利用すること。
• 太陽のアキソンを検出することを目的としたヘリオスコープを、同様の結合メカニズムを通じてダークフォトンの探索に応用すること。
• アキソン検出を目的としたビームダンプ実験を再解釈し、ダークフォトンの結合定数および質量を探索する手段とする。
• 特にProject Xなどの施設で実施される高強度の電子および陽子ビームダンプを活用し、ダークフォトンの崩壊から生じる軽量ダークマターを探索すること。
• 超伝導マイクロ波共鳴器、高レートピクセル化シリコン検出器、共振光学キャビティなどの感度が高くノイズの少ない検出技術を適用すること。
• 光子とダークセクターのゲージボソンの間の運動混合を活用し、電磁気への有効結合を通じてダークセクター粒子の間接検出を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強いCP問題を解消するアキソンおよびアキソン様粒子が、観測されたダークマター密度を説明できるか？
• RQ2 ダークフォトンおよび他の弱く結合する粒子が、実現可能なダークマター候補であり、素粒子および天体的データにおける異常を説明できるか？
• RQ3 マイクロ波キャビティ、ビームダンプ、ヘリオスコープなどの既存実験施設が、軽量ダークセクター粒子の全パラメータ空間をどれほど効果的に再利用できるか？
• RQ4 超伝導磁石、感度の高いマイクロ波検出、アップグレードされた加速器へのわずかな投資が、軽量で弱く結合する粒子の探索範囲をどの程度拡大できるか？
• RQ5 実地で小規模なダークセクター探索に参加する実験的素粒子物理学の教育的および協働的進展の可能性は何か？

主な発見

• マイクロ波キャビティおよび光を壁の向こうに通す実験（light-shining-through-walls）を含む既存の実験は、ダークフォトンおよびアキソン様粒子の探索に効果的に再利用可能である。
• アキソン探索を目的としたビームダンプ実験は、パラメータ空間の広い範囲でダークフォトンの結合定数および質量に関する重要な制限を提供している。
• 理論的モデルは、ダークフォトンおよび他のダークセクター粒子が運動混合を通じて標準模型に結合可能であり、光に類似した信号を通じて間接検出が可能であると予測している。
• 1 GeV未満のダークマター候補は現実的であり、ダークフォトンの崩壊によってビームダンプで生成可能であり、これからの高強度実験で探索可能である。
• 高強度ビームと極めて感度の高い検出技術の組み合わせにより、わずかなコストで弱く結合する粒子の「わらの中で針を探す」探査が可能となり、高い発見可能性を有する。
• 既存インfraストラクチャとわずかなアップグレードを活用した連携的で低コストの実験プログラムは、標準模型を超える新しい物理の発見への高インパクトな道筋を提供する。