[論文レビュー] Experiments and Facilities for Accelerator-Based Dark Sector Searches

P. Ilten, Nhan Viet Tran+28 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、GeV未満の質量領域におけるダークセクター粒子の探索を目的とした、加速器を活用した包括的な実験および施設のセットを概説している。主な対象はダークフォトン、隠れたセクター、および弱く相互作用する1GeV未塔のダークマターである。フェルミラブ、CERN、MESAなどの施設で、高強度ビーム、新規のビームダンプおよび固定標的に基づく構成、および先進的な検出技術を活用することで、特に小さな運動混合や不可視崩壊モードを示すダークマターに対して、従来到達できなかったパラメータ領域を探索することを目的としている。

ABSTRACT

This paper provides an overview of experiments and facilities for accelerator-based dark matter searches as part of the US Community Study on the Future of Particle Physics (Snowmass 2021). Companion white papers to this paper present the physics drivers: thermal dark matter, visible dark portals, and new flavors and rich dark sectors.

研究の動機と目的

• ダークセクターを標的とした加速器ベースの実験プログラム、特に1GeV未塔からGeV領域を対象に特定・評価すること。
• 直接検出や衝突型加速器の限界を補完し、弱く相互作用する、長寿命または不可視のダークセクター粒子の探索を可能にすること。
• PIP2-BD、DarkMESA、FASERν2などの新しい実験施設およびアップグレードを提案し、軽量ダークマターや隠れたフォトンに対する感度を向上させること。
• 希少な過程を検出可能にするために、高グレイン化、低しきい値、バックグラウンド抑制を特徴とする次世代検出器の開発を支援すること。
• ビームダンプ、固定標的、フォワード物理学の手法を用いた、ダークフォトン、ダークヒッグスボソン、ミリチャージド粒子の補完的探索を可能にすること。

提案手法

• フェルミラブのPIP-II、MESA、CERNのSPSなどの施設で、中間子の崩壊や運動混合を介してダークセクター粒子を生成する、高強度・低エネルギーの陽子および電子ビームの利用。
• 遮蔽されたマルチ検出器を備えたビームダンプ構成（例：DarkMESA、LDMX、FASERν）を採用し、欠落エネルギーまたはずれた頂点を介して長寿命または不可視のダークマターを検出する。
• 磁気分離器（例：MESAのMAGIX）を用いた高分解能測定により、反跳陽子および散乱電子の同時測定を実施し、欠落質量再構成を実現する。
• MESAでのエネルギー回収リニアック（ERL）運転を採用し、可視崩壊を示すダークフォトンの検出に適した高強度・低バックグラウンド電子ビームを供給する。
• 正確なタイミング制御（例：PAR、C-PARシナリオ）を用いたパルスビーム運転により、中性子やニュートリノなどのビーム関連バックグラウンドを低減する。
• 大容量・低しきい値の検出器（例：milliQan、POKER、SHADOWS）を導入し、ミリチャージド粒子やダークフォトンからの希少で低エネルギーの散乱事象を捉える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1GeV未塔のダークフォトンおよび隠れたセクター粒子を探索するための、最も感受性の高い加速器ベースの実験設定は何か？
• RQ2 高強度加速器におけるビームダンプおよび固定標的実験は、長寿命または不可視のダークマターに対する感度をどのように向上させ得るか？
• RQ3 バックグラウンドを最小限に抑えながらダークセクター信号率を最大化する最適なビームパrameter（エネルギー、繰り返し周波数、パルス幅）は何か？
• RQ4 PIP2-BDやFASERν2といった既存およびアップグレード施設を活用して、共鳴的弾性ニュートリノ-核子散乱（CEvNS）とダークマターの両方を同時に探索するにはどうすればよいか？
• RQ5 エネルギー回収リニアック（ERL）とガスジェット標的は、可視崩壊を示すダークフォトンの高精度・低バックグラウンド探索にどのような役割を果たすか？

主な発見

• PIP2-BD施設は、ベースラインの蓄積リング（PAR）を備え、5年間で1.2×10^23個の陽子を標的に照射可能であり、軽量ダークマターや隠れたセクター粒子の感受性の高い探索が可能となる。
• 10 nsのビームパルスを用いるC-PARシナリオは、ビーム関連のバックグラウンドを顕著に低減し、ダークフォトン生成や不可視崩壊といった希少過程の感度を向上させる。
• RCS-SRアップグレードシナリオは、1.3 MWのビーム出力と5年間で5.0×10^23個の陽子を標的に照射可能であり、最も弱く結合するダークセクター模型の探索において最高の感度を提供する。
• MESAのERLモードでは、最大105 MeVのエネルギーと1 mAのビーム電流を実現し、欠落質量分光法を用いて可視崩壊を示すダークフォトンの高精度・低バックグラウンド探索が可能となる。
• DarkMESAは、ビームダンプと23 m下流に配置された遮蔽検出器を備え、陽子誘発のハドロンシャワーから生じるダークマターを検出することを目的としており、年間4,000時間のビーム時間計画が立てられている。
• FASERν2およびFASERνは、ニュートリノおよびニュートリノ誘発反応を通じてダークセクター粒子を検出することを目的としており、FASERν2はCEvNSおよびダークマター探索の両方で高い統計的精度が得られると予想されている。