[論文レビュー] Low Mass WIMP Searches with a Neutrino Experiment: A Proposal for Further MiniBooNE Running

A. A. Aguilar-Arevalo, B. Batell+31 more|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2012

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 13

ひとこと要約

本論文は、25mの吸収体を設置してビームを標的に向けないモードで走らせることで、ミニブーネ（MiniBooNE）実験を拡張し、低質量のWIMPs（10–200 MeV）を探索することを提案している。これによりニュートリノ背景が顕著に低減される。この手法は、ミニブーネの大型検出器と高いプロトン標的照射率を活用し、ミュオンのg-2不一致と熱的残存ダークマターに関連する、これまでアクセス不可能であったパラメータ空間を探索可能にし、最小限の追加インfra構造で実現可能な低コストの発見的機会を提供する。

ABSTRACT

A proposal submitted to the FNAL PAC is described to search for light sub-GeV WIMP dark matter at MiniBooNE. The possibility to steer the beam past the target and into an absorber leads to a significant reduction in neutrino background, allowing for a sensitive search for elastic scattering of WIMPs off nucleons or electrons in the detector. Dark matter models involving a vector mediator can be probed in a parameter region consistent with the required thermal relic density, and which overlaps the region in which these models can resolve the muon g-2 discrepancy. Estimates of signal significance are presented for various operational modes and parameter points. The experimental approach outlined for applying MiniBooNE to a light WIMP search may also be applicable to other neutrino facilities.

研究の動機と目的

• 直接検出実験がアクセスできない、1GeV未塔の弱い力で相互作用する巨大粒子（WIMPs）を探索すること。
• 主なオシレーショントランスポート計画終了後の新規物理的目標を、ミニブーネの既存の検出器およびビームインfraを活用して達成すること。
• ベクトル媒介子 $V_\mu$ を介してミュオン $g-2$ の不一致を解消可能なWIMPモデルを調査すること。
• 同じ設定で、ダークフォトン、アクシオン、パラフォトンなどの軽量ダークマター候補の散乱断面積に感度を持つこと。
• フェルミラブの固定標的加速器（例：Project X）で将来の専用実験を可能にするために、軽量WIMPの検出可能性を実証すること。

提案手法

• プロトンビームをベリリウム標的に向かせないよう制御し、ニュートリノ生成を最小限に抑えるビームを標的に向けないモードでミニブーネを走らせる。
• 標的の下流に25mの吸収体を設置し、残存ビーム粒子を吸収することで、ニュートリノ背景をさらに低減する。
• 標的から500m離れた大型で電磁的に感度を持つ検出器を用い、WIMP散乱による低エネルギー核反発または電子反発を探索する。
• 時間情報の応用により、WIMP信号と残存背景を区別し、信号対雑音比を向上させる。
• 過去のニュートリノオシレーショントランスポート解析で得られた、既存の粒子識別ツールと検出器応答のキャリブレーションを活用し、迅速な信号抽出を可能にする。
• 2.0 × 10^20 POTのWIMP感度限界を導出するために、データの再処理と追加のモンテカルロシミュレーションを実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミニブーネは、既存のインfraとビーム設定を用いて、低質量WIMPs（10–200 MeV）に感度を持つことができるか？
• RQ2 25mの吸収体を設置することで、どの程度ニュートリノ背景が低減され、WIMP検出感度が向上するか？
• RQ3 ミニブーネ検出器は、ミュオンg-2不一致を解消するのに必要な質量範囲のWIMP信号を検出可能か？
• RQ4 この質量範囲において、ミニブーネがWIMP-核子およびWIMP-電子散乱断面積にどの程度感度を持つのか？
• RQ5 フェルミラブのProject Xで将来の実験に一般化可能な、吸収体設置付きのビームを標的に向けない運転手法の妥当性は？

主な発見

• ミニブーネは、熱的残存ダークマターの密度に必要なパラメータ空間と重複する、低質量WIMPs（10–200 MeV）への感度を達成できる。
• 25mの吸収体を設置したビームを標的に向けないモードでの2.0 × 10^20 POTの走行により、ニュートリノ背景が顕著に低減され、WIMP検出感度が向上する。
• 感度は、ベクトル媒介子 $V_\mu$ を介してミュオン $g-2$ の不一致を解消可能なWIMPモデルが存在する領域に達する。
• 高い関心と確立された解析フレームワークを踏まえ、WIMP限界または潜在的信号に関する1〜2件の論文が予想される。
• 検出器とビームラインは長期にわたり安定しており、2014年まで2年間の走行を支援するための予備部品と人員が確保されている。
• リモートシフト機能と28名の共同研究者を想定した月間約3シフトの負荷が、運用の現実可能性を保証している。