[論文レビュー] Letter of Intent: Search for sub-millicharged particles at J-PARC

S. Choi, Jeong Hwa Kim+10 more|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 13被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、J-PARCにおける30 GeVプロトン固定標的衝突から生成されるサブミリチャージド粒子（χ）を探索する新規実験SUBMETを提案する。280 m標的から離れた位置に配置されたシンチレーターバー検出器（フォトマルチプライヤー管を装備）を用い、10²²プロトン標的当量で、0.2 GeV/c²未満の質量に対して3×10⁻⁴eまで低い電荷に感度をもつ。これは未開拓のパラメータ空間において、現在の制約を顕著に拡張するものである。

ABSTRACT

We propose a new experiment sensitive to the detection of millicharged particles produced at the $30$ GeV proton fixed-target collisions at J-PARC. The potential site for the experiment is B2 of the Neutrino Monitor building, $280$ m away from the target. With $ extrm{N}_ extrm{POT}=10^{22}$, the experiment can provide sensitivity to particles with electric charge $3 imes10^{-4}\,e$ for mass less than $0.2$ $ extrm{GeV}/ extrm{c}^2$ and $1.5 imes10^{-3}\,e$ for mass less than $1.6$ $ extrm{GeV}/ extrm{c}^2$. This brings a substantial extension to the current constraints on the charge and the mass of such particles.

研究の動機と目的

• 10⁻³e未満の電荷と1.6 GeV/c²未満の質量を有するミリチャージド粒子の未踏のパラメータ空間を探索すること。
• 特に質量範囲0.1–1.6 GeV/c²において、サブミリチャージド粒子に対する現在の実験的制約を拡張すること。
• 既存のJ-PARCインfraストラクチャを活用して、低電荷・弱い相互作用を示す粒子に感度を持つ検出器構成を開発すること。
• 高い光電子出力を持つシンチレーターバーを用いたイオン化信号を通じてミリチャージド粒子を検出可能かどうかの実現可能性を評価すること。

提案手法

• J-PARCの30 GeVプロトンビームをグラファイト標的に照射し、π⁰、η、J/ψなどの中間子が生成され、それらがχ̄χまたはγχ̄χ最終状態を介してミリチャージド粒子（χ）に崩壊する。
• ミリチャージド粒子は標的から280 m離れた位置で検出され、エネルギー損失を最小限に抑えながらビームダンプ、ミューオンモニタ、砂利遮蔽を通過する。
• 一端にフォトマルチプライヤー管（PMT）を装備したセグメント化シンチレーターバー検出器がイオン化信号を測定し、複数層を同時に通過する信号の一致を検出に依存する。
• GEANT4シミュレーションを用いて検出器構成を最適化し、光電子出力（NPE）を最大化するとともに、ランダム一致および相関ノイズによるバックグラウンドを最小化する。
• 感度は信号対バックグラウンド比を用いて評価され、主なパラメータとしてNPE、層数（n）、バックグラウンド出力（b）が用いられ、式 P = (1 - e^(-NPE))^n が使用される。
• ベースライン検出器は、80 cm長のBC-408プラスチックシンチレータを4層使用するが、NPEと感度を向上させるために、より長いバーまたはBGO結晶を用いた代替構成も検討されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 J-PARCにおけるプロトン固定標的実験は、1.6 GeV/c²未満の質量範囲で10⁻³e未満の電荷を持つミリチャージド粒子に感度を持つことができるか？
• RQ2 ランダム一致および相関ノイズによるバックグラウンドを最小限に抑えると同時に、サブミリチャージド粒子に感度を持つ検出器構成は何か？
• RQ3 光電子出力（NPE）を増加させると、SUBMET実験におけるミリチャージド粒子の除外限界にどのような影響を与えるか？
• RQ4 検出器サイズ、層数、バックグラウンドレベルが、ミリチャージド粒子への達成可能な感度に与える影響は何か？
• RQ5 高いNPEと低いバックグラウンドを持つ4層のシンチレーターバー検出器は、サブミリチャージド粒子の検出に耐障害性のある信号検出環境を提供できるか？

主な発見

• 10²²プロトン標的当量（POT）で、SUBMET実験は質量が0.2 GeV/c²未満のミリチャージド粒子に対してε = 3×10⁻⁴eの電荷に感度を持つ。
• 質量が1.6 GeV/c²未満の範囲では、感度がε = 1.5×10⁻³eまで拡張され、電荷-質量パラメータ空間においてこれまで未開拓であった領域をカバーする。
• 感度向上の主因は光電子出力（NPE）の増加であり、NPEが2倍になると除外限界が25%改善され、3倍では35%改善される。
• バックグラウンドレベルはやや影響を与えるが、バックグラウンドを100倍に増加させても除外限界はわずか15%悪化するため、中程度のバックグラウンド変動に対しても安定である。
• 4層ではなく3層を使用すると、信号収量は増加するがバックグラウンドも増加（約3000）するため、質量mχ < 0.2 GeV/c²の範囲では感度向上はわずかにとどまる。
• 検出器の感度は構成変更に対して相対的に不感であり、さまざまなテストされた構成において除外限界がε ≈ 1.5–3.0×10⁻⁴eの範囲に保たれるため、強い安定性を示している。