[論文レビュー] Exploring Dark Sector Portals with High Intensity Experiments

Brian Batell, Nikita Blinov+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、ビームダンプ、$e^+e^-$衝突機、メソン/レプトン施設などの高強度実験が、軽くて弱く結合する中間子粒子の生成と検出を介して、最小限のダークセクター・ポータル（ベクトル、ヒッグス、ニュートリノ、axion-like粒子（ALP）ポータルを含む）を調べられることを提案している。実験が中間子の質量と結合定数の広い範囲にわたり感受性を示すことを示し、ダークマター、ニュートリノ質量、および強いCP問題の解決策に関連する新しい物理の発見を可能にする。

ABSTRACT

A broad program of searches at high intensity experiments during the coming decade and beyond will sensitively probe new light mediator particles interacting through the minimal renormalizable vector, Higgs, and neutrino portals as well as higher-dimension axion-like particle portals. These portals may link the visible and dark sectors and play a critical role in many proposed solutions to some of the big open questions in particle physics and cosmology. In this whitepaper, we survey the theoretical and experimental progress, status, and prospects in the study of minimal dark sector portals.

研究の動機と目的

• 可視宇宙とダークセクターをつなぐ最小限のポータル相互作用の理論的・実験的妥当性を評価すること。
• 高強度実験を用いて軽い中間子粒子を探索できる主要な実験的フロンティアを同定すること。
• ベクトル、ヒッグス、ニュートリノ、ALPポータルの既存および将来の施設における感受性の範囲をマップすること。
• ポータルを介した中間子探索を、ダークマター、ニュートリノ質量、バリオゲネシス、強いCP問題といった根本的物理問題と結びつけること。
• 強度フロンティアにおけるダークセクター物理学の将来の実験的・理論的投資を導くこと。

提案手法

• 次元5のオペレーターを用いた有効場理論による、ローレンツ不変ポータル（ベクトル、ヒッグス、ニュートリノ）および高次次元のALPポータルを分析する。
• さまざまな高強度施設（$e^+e^-$衝突機、陽子/電子ビームダンプ、固定標的に基づく実験、LHCベースの探索）を用いて実験的感受性を評価する。
• ボーリング・ハンティング（即時崩壊）、ずらし頂点探索、長寿命粒子の崩壊、欠落運動量シグネチャーといった複数の探索戦略を適用する。
• トラック・トリガーを備えたDarkQuest、FASER、CODEX-b、REDTOP、MATHUSLA、DUNE、LHCb、HL-LHCなどの将来の実験の感受性を予測する。
• UVスケールのウィルソン係数を推定するために、統合群の進化を組み込み、$B$-中間子の崩壊および$\Upsilon$崩壊からの制約を導出する。
• LHCb、BaBar、Belle、Belle IIからの制約と予測を用いて、特に$b \to sa$および$B \to Ka(\gamma\gamma)$崩壊において、ALPパラメータ空間のカバー範囲を精緻化する。

Figure 1 : Near-term and future opportunities to search for visibly decaying massive dark photons interacting through the kinetic mixing vector portal displayed in the dark photon mass $(m_{A^{\prime}})$ – kinetic mixing $(\epsilon)$ parameter space. Constraints from past experiments (gray shaded re

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高強度実験が最小限のポータル相互作用を通じて、軽い中間子粒子をどの程度の範囲で探査できるか？
• RQ2 ベクトル、ヒッグス、ニュートリノ、ALPポータルは、ローレンツ不変または有効場理論の枠組みで、可視宇宙とダークセクターをどのように接続するか？
• RQ3 異なる中間子質量と結合強度を探索するにあたり、どの実験施設と探索戦略が最も効果的か？
• RQ4 UV完備化と統合群の進化を踏まえた場合、光子およびグルーオンへのALP結合が生じる制約と発見の機会は何か？
• RQ5 FASER、MATHUSLA、Belle IIといった既存および予測される実験は、ALPを介したダークセクター物理学の感受性をどのように向上させるか？

主な発見

• ビームダンプや$e^+e^-$衝突機を含む高強度実験は、中間子の質量と結合定数の広い範囲にわたり感受性を示す。
• DarkQuestのフェーズ1およびフェーズ2、およびFASERは、特に$m_a \lesssim 1$ GeVの領域において、これまで未到達だったALPパラメータ空間の領域を探査可能と予想される。
• LHCベースの実験（LHCb、MATHUSLA、DUNE）は、光子およびグルーオンへのALP結合を調べられ、$g_{a\gamma\gamma} \sim 10^{-10}$ GeV$^{-1}$の感受性にまで及ぶと予想される。
• $B \to Ka(\gamma\gamma)$、$B \to Ka(3\pi)$、$\Upsilon \to \gamma a$崩壊からの制約は、特に1–12 TeVのUVスケールにおいて、ALPパラメータ空間の有効な領域を著しく縮小する。
• パイオンに特異な結合を示すALPは、$^8$Beおよび$^4$He核の励起状態からの脱励起における異常を説明でき、QCDアキソンと関連している可能性がある。
• ALPポータルはSIMPダークマターモデルにおける熱平衡化を媒介でき、そのパラメータ空間の大部分が近い将来のALP探索でカバー可能となる。

Figure 2 : Near-term and future opportunities to search for visibly decaying massive dark scalars interacting through the Higgs portal displayed in the scalar mass $(m_{S})$ – mixing angle $(\sin\theta)$ parameter space. Constraints from past experiments (gray shaded regions) and projected sensitivi