[論文レビュー] Hidden sector searches with SHiP and NA62

P. Mermod|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 18被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、CERNのSPSにおけるNA62およびSHiP実験が、高強度陽子ビームドレインおよびビームモード運用を用いて、重い中性レプトン（HNL）やダークフォトンなどの隠れたセクター粒子を探索する可能性を評価する。NA62のビームモードでは、質量が0.45 GeV未満のHNLの混合角について、$U^2 \sim 10^{-6}$まで競争的な制限を設定している。一方、SHiPおよびNA62のドレインモードでは、質量が5 GeVまでで、現在の制限より低い混合強度を持つHNLを探索可能であり、ニュートリノ質量生成、レプトゲネシス、およびダークマターに関連する領域に到達可能である。

ABSTRACT

High-intensity proton beams impinging on a fixed target or beam dump allow to probe new physics via the production of new weakly-coupled particles in hadron decays. The CERN SPS provides opportunities to do so with the running NA62 experiment and the planned SHiP experiment. Reconstruction of kaon decay kinematics (beam mode) allows NA62 to probe for the existence of right-handed neutrinos and dark photons with masses below 0.45 GeV. Direct reconstruction of displaced vertices from the decays of new neutral particles (dump mode) will allow NA62 and SHiP to probe right-handed neutrinos with masses up to 5 GeV and mixings down to several orders of magnitude smaller than current constraints, in regions favoured in models which explain at once neutrino masses, matter-antimatter asymmetry and dark matter.

研究の動機と目的

• CERNのSPSにおけるNA62およびSHiP実験が、特に重い中性レプトン（HNL）やダークフォトンを含む隠れたセクターにおける新物理にどれほど感度を持つのかを評価すること。
• NA62がビームモード（カイオン崩壊の再構築）およびドレインモード（HNL崩壊によるずれた頂点の検出）の両方で実施可能な性能と実現可能性を評価すること。
• SHiPが、高い陽子ターゲットフラックスと高度なバックグラウンド抑制技術を備えており、質量が5 GeVまでで、現在の実験的制限よりはるかに低い混合強度のHNLを探索できることを示すこと。
• ニュートリノ質量生成、バリオジェネシス、ダークマターを説明するモデルによって動機づけられる、従来の実験では未探索のHNLおよびダークフォトンのパラメータ空間の領域を同定・制限すること。

提案手法

• CERN SPSの400 GeV陽子ビームを用いて、多数の中間子を生成し、それらがHNLやダークフォトンに崩壊する。
• NA62のビームモード運用では、カイオン崩壊の運動量・エネルギーを再構築（例：$K^+ \to \mu^+ + \text{HNL}$）し、欠落エネルギーおよび運動量からHNL質量を推定する。
• NA62およびSHiPのドレインモード運用では、HNL崩壊に起因するずれた頂点を、高精度なトラッキングおよび時間測定検出器を用いて検出する。
• アクティブなミューオン遮蔽、バイト・ターゲッター、100 psの時間分解能、および粒子識別技術を用いて、バックグラウンドを高度に抑制する。
• シミュレーションを用いてバックグラウンドレベルを推定し、SHiPでは$2 \times 10^{20}$プロトンターゲットあたり、予想されるバックグラウンドイベント数が0.1未満に達することを確認した。
• NA62およびSHiPの感度をHNLパラメータ空間で比較するため、CHARMおよびNuTeV実験のデータをベンチマークとして用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NA62のビームモードでは、質量が0.45 GeV未満で、混合強度が$U^2 \sim 10^{-6}$までに達するHNLについて、競争的な制限を設定できるか？
• RQ2 NA62のドレインモードでは、質量が5 GeVまでで、ずれた頂点を示す寿命を持つHNLに対してどれほど感度を持つのか？
• RQ3 SHiPの高強度ビームドレイン構成（$2 \times 10^{20}$プロトンターゲット）により、現在の制限より1桁以上低い混合強度のHNLを探索可能になるのか？
• RQ4 SHiP実験は、従来の実験では未探索の領域にあったダークフォトンおよびその他の長寿命隠れたセクター粒子のパラメータ空間に到達可能か？
• RQ5 SHiPおよびNA62におけるバックグラウンド抑制技術は、誤検出をどれほど低減でき、まれな長寿命HNL崩壊の発見を可能にするのか？

主な発見

• NA62のビームモードでは、$6 \times 10^7$個の$K^+$崩壊を用いて、質量範囲0.3–4.5 GeVにおける$\nu_\mu$とのHNL混合角について、$U^2 \sim 10^{-6}$まで制限を設定した。
• NA62ビームモードの予備結果では、質量範囲0.16–4.5 GeVにおける$\nu_e$とのHNL混合角について、$U^2 \sim 10^{-7}$まで制限された。
• NA62のドレインモードでは、テスト走行で低バックグラウンドレベルを達成しており、HNL候補頂点が相互作用点から5 cm以上離れていることが確認され、将来的な探索の可能性が示された。
• SHiPでは、高度なバックグラウンド抑制システムのおかげで、$2 \times 10^{20}$プロトンターゲットあたりのバックグラウンドレベルが0.1未満に抑えられると予想されている。
• SHiPのHNLに対する感度は、質量が5 GeVまでおよび混合強度が$U^2 \sim 10^{-10}$未満までにまで及び、シー・スイッチモデル、レプトゲネシス、ダークマターに好ましい領域に到達可能である。
• NA62のドレインモードおよびSHiPの両方とも、従来の制限を超えるダークフォトンのパラメータ空間を探索可能であり、特に質量が約0.1 GeVの領域で顕著である。