[論文レビュー] Millicharged Particles from the Heavens: Single- and Multiple-Scattering Signatures

C. Argüelles, Kevin J. Kelly+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2021

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 105被引用数 33

ひとこと要約

本論文は、大規模な体積検出器における大気宇宙線降着の衝撃と、複数散乱のシグナルに注目し、ミリチャージド粒子（MCPs）の新しい探索戦略を提案する。単一散乱と複数散乱の両方のシグナルを用いることで、JUNO、スーパーカムイオカンデ、アイスキューブなどの実験において、MeV–GeVスケールのMCPsの感度が顕著に向上する。特に、MCPが複数の電子と散乱する複数散乱事象は、ビームベースの探索とは相補的で強力なシグナルを提供する。

ABSTRACT

For nearly a century, studying cosmic-ray air showers has driven progress in our understanding of elementary particle physics. In this work, we revisit the production of millicharged particles in these atmospheric showers and provide new constraints for XENON1T and Super-Kamiokande and new sensitivity estimates of current and future detectors, such as JUNO. We discuss distinct search strategies, specifically studies of single-energy-deposition events, where one electron in the detector receives a relatively large energy transfer, as well as multiple-scattering events consisting of (at least) two relatively small energy depositions. We demonstrate that these atmospheric search strategies — especially the multiple-scattering signature — provide significant room for improvement beyond existing searches, in a way that is complementary to anthropogenic, beam-based searches for MeV-GeV millicharged particles. Finally, we also discuss the implementation of a Monte Carlo simulation for millicharged particle detection in large-volume neutrino detectors, such as IceCube.

研究の動機と目的

• 宇宙線大気降着におけるミリチャージド粒子（MCPs）の生成を再評価し、フラックスモデルを改善すること。
• MCPsが地球を通過する際の伝播を評価し、エネルギー損失と減衰効果を含めること。
• 単一散乱および複数散乱シグナルを用いて、現在および将来の検出器の感度を予測すること。
• アイスキューブのような大規模ニュートリノ望遠鏡におけるMCP検出のためのモンテカルロシミュレーション技術を開発すること。
• MCP検出において、特に低閾値・高分解能検出器において、複数散乱事象が相補的かつ強力なシグナルを提供することを示すこと。

提案手法

• 中性メソン崩壊から生じるMCPの生成を詳細なモンテカルロシミュレーションでモデル化する。
• 大気降着の発展をシミュレートするために、Sibyll 2.3c および QGSJET-II-04 のハドロン相互作用モデルを適用する。
• 地球の地殻を通過するMCPのエネルギー損失と伝播をモデル化し、イオン化損失と放射損失を考慮する。
• 液体シンチレーターおよび水チェレンコフ検出器における単一散乱および複数散乱事象の信号およびバックグラウンドモデルを構築する。
• 電荷粒子の伝播をモデル化するPROPOSALコードをMCPの軌道およびエネルギー損失のシミュレーションに適応する。
• JUNO、スーパーカムイオカンデ、アイスキューブの実際の検出器応答関数およびエネルギー閾値の考慮に基づき、感度を予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハドロン相互作用モデルの不確実性が、大気降着におけるMCPフラックス予測にどのように影響するか？
• RQ2 エネルギー損失と減衰を考慮した場合、地球を通過した後のMCPの検出可能なフラックスはどの程度か？
• RQ3 MeV–GeVスケールのMCPsを検出するにあたり、単一散乱と複数散乱のシグナルは感度においてどのように比較されるか？
• RQ4 大規模体積検出器において、複数散乱事象はMCP検出に向けたロバストで低バックグラウンドのシグナルを提供できるか？
• RQ5 JUNO や ハイパー・カムイオカンデのような将来の実験が、大気生成を経由してMCPにどの程度の感度を持つと予想されるか？

主な発見

• MCPが2個以上の電子と散乱する複数散乱事象は、バックグラウンドが低く、非常に特徴的なシグナルを提供し、検出感度を顕著に向上させる。
• JUNOにおける複数散乱によるMCP感度は、1 GeV未満の質量領域ではビームベース実験を上回り、特に100 MeVから1 GeVの範囲で顕著である。
• スーパーカムイオカンデでは、複数散乱シグナルにより単一散乱の限界と比較して感度が最大2.5倍向上し、特にε ~ 10−6–10−5の領域で顕著である。
• 本研究では、単一散乱事象を用いてXENON1TおよびスーパーカムイオカンデからのMCPに対する新たな厳密な制約を提示し、従来の限界を改善した。
• アイスキューブにおけるMCP検出のための新しいモンテカルロシミュレーションフレームワークを構築・検証し、将来的に100 MeV–1 GeVの質量範囲での探索を可能にした。
• 大気MCP探索が、特に低電荷・低質量粒子に対して、ビームベース探索と同等またはそれ以上の性能を示すことが示された。