[論文レビュー] Minicharged Particles at Accelerators: Progress and Prospects

M. de Montigny, Pierre-Philippe A. Ouimet+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2023

Dark Matter and Cosmic PhenomenaPhysics and Astronomy被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、仮説的な弱い相互作用を示す電荷が量子単位未塔の部分電荷を持つミニチャージド粒子（mCPs）の理論的枠組みと実験的制約をレビューする。LHCのMoEDAL-MAPP実験における感度分析を更新し、Run 3および将来のHigh-Luminosity LHCランで、質量が0.45–65 GeV、電荷が2.5×10⁻³eにまで及ぶmCPsの発見可能性を95%信頼水準で予測する。

ABSTRACT

Minicharged particles (mCPs), hypothetical free particles with tiny electric charges below the elementary charge, $e$, offer a valuable probe of dark sectors and fundamental physics through several clear experimental signatures. Various models of physics beyond the Standard Model predict the existence of such particles, which could help elucidate the ongoing mysteries regarding electric charge quantization and the nature of dark matter. Moreover, a hypothetical scenario involving a small minicharged subcomponent of dark matter has recently been demonstrated as a viable explanation of the anomaly in the 21 cm hydrogen absorption signal reported by the EDGES collaboration. Although several decades of indirect observations and direct experimental searches for mCPs at particle accelerators have led to severe constraints, a substantial window of the mCP mass$\unicode{x2013}$mixing parameter space remains unexplored at the energy frontier accessible to current state-of-the-art accelerators, such as the Large Hadron Collider (LHC). Consequently, mCPs have remained topical over the years, and new experimental searches at accelerators have been gaining interest. In this article, we review the theoretical frameworks in which mCPs emerge and their phenomenological implications, the current direct and indirect constraints on mCPs, and the present state of the ongoing and upcoming searches for mCPs at particle accelerators. Additionally, we present the results of an updated study of the projected sensitivity of the recently approved (and relocated) Phase-1 detector of the MoEDAL's Apparatus for Penetrating Particles (MAPP) experiment to Drell$\unicode{x2013}$Yan pair-produced mCPs at the LHC's Run 3 and the future High-Luminosity LHC.

研究の動機と目的

• 隠れセクターおよびベクトルポータルフレームワークにおけるミニチャージド粒子（mCPs）の理論的モデルをレビューすること。
• 高エネルギー物理学、天体物理学、宇宙論の分野におけるmCPsに関する現在の直接的および間接的実験的制約を要約すること。
• LHCにおけるDrell–Yan生成mCPsに対するMoEDAL-MAPP実験の予想される感度を評価すること。
• milliQan、FORMOSA、SHiPなどの予定されている他の実験と比較して、MAPP-1検出器の感度を評価すること。
• 現在および将来の加速器施設がアクセス可能なゲルマンスケールにおけるmCPsの未探索のパラメータ空間を特定すること。

提案手法

• LHCにおけるDrell–Yan対生成mCPsに対するMAPP-1検出器の感度を予測するために、バックグラウンドフリーの仮定を採用した。
• 13.6 TeVのセンター・オブ・マスエネルギー下でのmCP生成を、MadGraph5とFeynRulesを用いてシミュレーションした。
• mCPsの電離エネルギー損失および検出器材料を通過する挙動に基づき、検出器の応答を分析した。
• LHC Run 3では30 fb⁻¹の統合ラティチュード、High-Luminosity LHCではより高いラティチュードを想定して感度を予測した。
• milliQan、FORMOSA、FLArE、SHiPを含む既存および計画中の実験と比較し、相補性を評価した。
• FeynRulesを用いてmCPモデルの実装を検証し、独立したシミュレーションによるモデルの一貫性を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高エネルギー物理学、天体物理学、宇宙論の分野において、ミニチャージド粒子（mCPs）に関する現在の実験的制約の状況はいかなるものか？
• RQ2 LHCのRun 3において、MoEDAL-MAPP実験はDrell–Yan機構で生成されたmCPsに対してどの程度感度を有するか？
• RQ3 13.6 TeVでのMAPP-1検出器が30 fb⁻¹の統合ラティチュードを用いる場合、どの範囲のmCP質量と有効電荷を探索可能か？
• RQ4 MAPP-1、milliQan、FORMOSA、SHiPの感度予測が、mCP質量–電荷パラメータ空間全体でどのように比較されるか？
• RQ5 LHCおよびSPSでの将来の加速器実験によって、ゲルマンスケールのmCPsの発見可能性はどの程度期待できるか？

主な発見

• MAPP-1検出器は、LHC Run 3において95%信頼水準で、0.45 GeVから65 GeVのmCP質量を探索可能と予想される。
• 実験は、電荷が2.5×10⁻³eにまで及ぶmCPsに対しても感度を有しており、これは基本電荷よりも著しく低い値である。
• High-Luminosity LHCでは、MAPP-1の感度が著しく向上すると予想され、ゲルマンスケールのmCPsにおいて現在の制約を上回る可能性がある。
• FORMOSA-II検出器は、mCPsに関して、milliQan、MAPP-1、FerMINI実験の感度を上回ると予想される。
• SHiP実験は、質量が0.1から5 GeVのmCPsに対し感度を有すると予想され、現在の制約を1桁改善する可能性がある。
• MAPP-1実験の予想される感度は、milliQanおよびFORMOSA-Iと同等であり、mCPパラメータ空間においてFLArEおよびSHiPと相補的である。