[論文レビュー] Dark Sectors at fixed targets: The example of NA62

Babette Döbrich|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2018

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 23被引用数 15

ひとこと要約

本論文は、CERNのSPSで固定標的にしてプロトン衝突によって生成されるダークセクター粒子（ダークフォトン、アクシオン様粒子、重い中性レプトンなど）に対するNA62の感度を提示する。高精度時刻測定、完全検出、および高度なバックグラウンド除去を用いて、従来未踏のパラメータ領域を探索し、10¹⁸ POTでダークフォトンの結合定数について約10⁻⁸、ALPsについて10⁻⁹の感度を予想している。

ABSTRACT

If new physics manifests itself in the existence of very weakly coupled particles of MeV-GeV mass-scale, fixed-target experiments can be an excellent instrument to discover it. In these proceedings, we review especially the sensitivity of the NA62 experiment to this physics scenario.

研究の動機と目的

• MeV–GeVスケールの質量を有する弱く結合する長寿命粒子、特にダークセクターに由来するものに対する固定標的実験（NA62を含む）の感度を調査すること。
• 中間子崩壊およびプロトンビームドัムプで生成される、ダークフォトン、アクシオン様粒子（ALPs）、重い中性レプトン（HNLs）などの奇妙粒子の検出能力を評価すること。
• 特に高精度時刻測定と完全検出の文脈において、電荷を帯びたおよび中性の最終状態に対するバックグラウンド除去戦略を評価すること。
• 標準模型を超える新しい物理現象の発見可能性を予測すること、特にダークマターおよび隠れたセクター模型の文脈において。
• Run 3（2021–2023）中にNA62をビームドーピングモードで運用可能かどうかを評価し、長寿命で弱く結合する粒子に対する感度を向上させること。

提案手法

• ベリリウム標的に400 GeVのプロトンビームを入射させ、中間子を含む二次粒子を生成し、それらがダークセクター粒子を生成する可能性がある。
• 高精度時刻測定（約100 ps）を用いた完全検出器システムにより、粒子の軌道および崩壊頂点を再構築し、長寿命粒子の感受性の高い探索を可能にする。
• 複数の遮断システムを用いた厳密なバックグラウンド除去：ミューオン識別（MUV3）、ハドロン識別（MUV1/MUV2）、および光子遮断（LKr、LAV、IRC、SAC）。
• 頂点ベースのバックグラウンド抑制を実施し、頂点がフィducialボリューム内（105–165 m）にあり、ビーム線から横方向に10–50 cmの距離にあることを要件とする。
• 外挿された頂点運動量および空間的制約を用いて、中間子およびパイオン崩壊のバックグラウンドを排除し、カット後の信号ボックスに残存するイベントは一切ない。
• 10¹⁸ POTでのシミュレーテッドデータを用いて、ダークセクター模型の発見可能性を予測し、完全なバックグラウンド除去および最適化されたトリガー条件を仮定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダークフォトンの質量がMeV–GeVの範囲にあり、結合定数が約10⁻⁸にまで低下する場合、NA62の感度はどの程度か？
• RQ2 特に中間子およびパイオン崩壊に起因する二トラック頂点の文脈において、NA62のバックグラウンド除去はどの程度効果的か？
• RQ3 ビームドーピングモードにおいて、高いブースト因子を有する短い崩壊長を持つアクシオン様粒子（ALPs）をNA62は探査可能か？
• RQ4 中間子崩壊における重い中性レプトン（HNLs）の発見可能性はどの程度か？また、既存の制限と比較するとどうか？
• RQ5 NA62の高精度時刻測定および完全カバレッジが、不可視またはエネルギー欠損を示す最終状態の探索にどの程度寄与できるか？

主な発見

• 厳密な頂点およびバックグラウンドカットを適用した後、ビーム線から10–50 cmの距離にある信号ボックスにイベントは一切残存せず、中間子およびパイオン崩壊バックグラウンドの効果的抑制が示された。
• NA62は、結合定数が約10⁻⁸にまで低くなるダークフォトンに対しても感度を示し、10¹⁸ POTでの発見可能性が予想されている。
• アクシオン様粒子（ALPs）に関しては、ビームドーピングモードにおける高いブースト因子のおかげで、81 mの吸収体長における指数的生存確率のおかげで、従来未踏の領域を探索可能である。
• 2016年のデータから得られた予備結果は、NA62の性能を裏付けており、フィducial領域に顕著なバックグラウンド汚染は観測されなかった。
• 実験は、パラサイト的ビームドーピングモード運用の可能性を示しており、新物理探索に十分なバックグラウンド除去能力を有している。
• 共同研究チームは、Run 3（2021–2023）中に専用のビームドーピング運用を検討しており、長寿命で弱く結合する粒子に対する感度を向上させることを目的としている。