[論文レビュー] DarkLight: A Search for Dark Forces at the Jefferson Laboratory Free-Electron Laser Facility

J. Balewski, J. C. Bernauer+65 more|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2013

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 5被引用数 19

ひとこと要約

DarkLightは、ジェファーソンラボの自由電子レーザーを用い、電子と陽子の散乱を通じて10–90 MeV/$c^2$の質量範囲の重いベクトルボソン $A^\prime$ の探索を提案している。高精度なレプトンおよび陽子の運動量再構築により、$A^\prime \to e^+e^-$崩壊を検出する。さらにPb-シンチレーター光子検出器を追加することで、非可視$A^\prime$崩壊への感度を拡大し、$(g-2)_\mu$異常領域における95%の検出効率を達成する。

ABSTRACT

We give a short overview of the DarkLight detector concept which is designed to search for a heavy photon A' with a mass in the range 10 MeV/c^2 < m(A') < 90 MeV/c^2 and which decays to lepton pairs. We describe the intended operating environment, the Jefferson Laboratory free electon laser, and a way to extend DarkLight's reach using A' --> invisible decays.

研究の動機と目的

• 10–90 MeV/$c^2$の質量範囲における重い光子$A^\prime$の探索、これは$(g-2)_\mu$異常を説明する候補である。
• 特に$10^{-9} < \alpha^\prime < 10^{-6}$の結合定数範囲において、既存および計画中の実験がカバーしない$A^\prime$パラメータ空間を補完すること。
• 非可視$A^\prime$崩壊への感度を拡大するため、光子検出機能を追加して$(g-2)_\mu$異常の好ましい領域を探索すること。
• 同じ実験装置を用いて陽子電荷半径の高精度測定を達成すること。
• 高出力FELビームとの適合性を確保するため、ビーム透過率およびハロースタディーを通じて検出器の適合性を検証すること。

提案手法

• 100 MeV、最大1 MWのFEL電子ビームを、0.5 Tのソレノイド磁場下の密度の高いウィンドウレス水素ガス標的に照射する。
• 5°–90°の立体角範囲で再結合陽子とレプトンの追跡を実施する、コンactな磁気分光計と二重層シリコン検出器を用いる。
• 全可視最終状態粒子の4元運動量を再構築するため、25°–165°をカバーする別個のレプトントラッカーを設置する。
• トラッカー外側にPb-シンチレーターの積層型検出器を設置し、$A^\prime \to \gamma\gamma$または非可視崩壊からの光子を検出する。
• 運動学的カットと運動量・エネルギー分解能の制御を適用し、不可避なQED背景を抑制する。
• ビームラインの適合性と放射線背景レベルを検証するため、ビーム透過試験とシミュレーション（FLUKA、MCNP）を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DarkLightは、$\alpha^\prime \sim 10^{-9}$から$10^{-6}$の範囲で、10–90 MeV/$c^2$の質量範囲における狭い$A^\prime$共鳴を$A^\prime \to e^+e^-$崩壊を通じて検出可能か？
• RQ2 光子検出システムを用いることで、実験の非可視崩壊への感度はどの程度拡張可能か？
• RQ3 $(g-2)_\mu$異常のおもな領域を探索するには、どの程度の光子検出効率が必要か？
• RQ4 1 MW FEL出力レベルにおけるビームハロ損失および放射線背景は、検出器性能にどのように影響するか？
• RQ5 弾性$ep$散乱を用いた検出器は、1%未満の精度で陽子電荷半径を解像可能か？

主な発見

• 実験は、既存および計画中の$A^\prime$探索がカバーしないパラメータ空間$(\alpha^\prime, m_{A^\prime}})$への到達範囲を達成するように設計されている。
• 95%の光子検出効率を達成すれば、$(g-2)_\mu$異常の好ましい領域の大部分を探索可能である。
• 光子検出がなければ、非可視探索への感度は無視できるほど小さく、除外領域や好ましいパラメータ空間へは到達しない。
• ビーム透過試験では、2 mmの開口部を通じて7時間にわたり3 ppm未満の損失を確認し、メガワット出力レベルでの実現可能性を裏付けた。
• 3層構造のPb-シンチレーター光子検出器は、10–100 MeVの光子に対して、50%および100%の固有効率を仮定すると約90%の検出確率を達成する。
• ビームテストおよびシミュレーションにより、FELビームラインとの適合性が検証され、放射線背景は予測と一致しており、許容可能な水準にあることが確認された。