[論文レビュー] FLArE up dark sectors with EM form factors at the LHC Forward Physics Facility

Felix Kling, Jui-Lin Kuo+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、LHCのフォワードフィジックス施設（FPF）におけるフォワード液体アルゴン実験（FLArE）を用いて、電磁形式因子を持つ1GeV未塔のダークセクター粒子（ミリチャージド粒子、磁気・電気双極子モーメント、アナポールモーメントなど）を、電子散乱シグネチャーを通じて探索することを提案している。FLArEは、100 MeV〜100 GeVの質量範囲におけるミリチャージド粒子および双極子モーメント粒子に対して強く感受性を示し、直接検出やサイレントシレーションベースの探索と補完的である。

ABSTRACT

Despite being mostly secluded, dark sector particles may feebly interact with photons via a small mass-dimension 4 millicharge, a mass-dimension 5 magnetic and electric dipole moment, or a mass-dimension 6 anapole moment and charge radius. If sufficiently light, the LHC may produce an intense and collimated beam of these particles in the far forward direction. We study the prospects of searching for such dark sector particles with electromagnetic form factors via their electron scattering signature in the Forward Liquid Argon Experiment (FLArE) at the Forward Physics Facility (FPF). We find that FLArE can provide new probes of sub-GeV dark particles with dipole moments and strong sensitivities for millicharged particles in the 100 MeV to 100 GeV region. This complements other search strategies using scintillation signatures or dark matter direct detection and allows for probing strongly interacting dark matter motivated by the EDGES anomaly. Along with the FORMOSA detector, this leads to a very versatile and leading experimental program in the search for millicharged particles in the FPF.

研究の動機と目的

• 電磁形式因子を持つダークセクター粒子の探査可能性を、FLArE検出器で評価すること。
• 100 MeV〜100 GeVの質量範囲におけるミリチャージド粒子および双極子モーメント相互作用への感受性を評価すること。
• 弱い相互作用を示すダークマターを対象とする既存の直接検出およびサイレントシレーションベースの探索と補完すること。
• LHCの高エネルギー中心座標系エネルギーとフォワードジオメトリを活用して、軽量で長寿命のダーク状態を探索すること。
• ミリチャージド粒子の多様で補完的な探索を可能にするために、広範なFPFプログラムに貢献すること。

提案手法

• 有効場理論（EFT）を用いて、ミリチャージド粒子、双極子モーメント、電荷半径相互作用を含むダークセクター粒子の電磁形式因子をモデル化する。
• √s = 14 TeVでのpp衝突をシミュレートし、電磁相互作用が抑制されたフォワード生成ダーク粒子を生成する。
• GENIEおよびPYTHIA8を用いて、液体アルゴン内での電子散乱をモデル化するためのイベント生成と再構成技術を適用する。
• GEANT4を用いた検出器シミュレーションにより、FLArEの液体アルゴンTPCにおけるエネルギー損失とイオン化信号をモデル化する。
• 信号効率、バックグラウンド抑制、統計的有意性（CLs）を用いた感受性分析により、発見の到達範囲を決定する。
• FASER、SHiP、および直接検出実験からの既存制約と結果を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FLArEは、100 MeV〜100 GeVの質量範囲で、電磁的電荷がO(10−3)程度のミリチャージド粒子を検出可能か？
• RQ2 電子散乱を通じて、磁気的または電気的双極子モーメントを持つダークセクター粒子に対するFLArEの感受性はいかほどか？
• RQ3 1GeV未塔のダークマターに対して、FLArEの感受性は他のLHCベースおよび非コライダー実験と比べてどの程度か？
• RQ4 電磁形式因子を通じて、EDGES異常を説明するモデルに由来するダークマターを、FLArEはどの程度まで探査可能か？
• RQ5 液体アルゴン検出器における電子散乱を通じて、強い相互作用を示すダークマターの発見可能性はいかほどか？

主な発見

• FLArEは、100 MeV〜100 GeVの質量範囲で、電磁的電荷がO(10−3)にまで及ぶミリチャージド粒子に対して強く感受性を示す。
• 特に1GeV未塔の領域において、磁気的および電気的双極子モーメントを持つダークセクター粒子に対して、競争力のある到達範囲を提供する。
• 電子散乱を通じて、バリオンと強い結合を示すダークマターのモデル（EDGES異常に関連するもの）をプローブ可能である。
• 100 MeV〜1 GeVの範囲では、多くの既存のコライダーおよび非コライダー実験を上回るミリチャージド粒子への感受性を有する。
• FLArEはFPFにおけるFORMOSA検出器と補完的であり、ミリチャージド粒子探索の多様で強固な実験プログラムを可能にする。
• 本研究は、フォワード液体アルゴン検出器が、電磁形式因子を持つ軽量で弱い相互作用を示すダークセクター粒子を探査する強力なツールであることを示している。