[論文レビュー] Physics reach of a long-lived particle detector at Belle II

S. Dreyer, T. Ferber+10 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 69被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、SuperKEKBにおけるBelle II実験の提案される遠方検出器GAZELLEが、長寿命粒子（LLPs）を探索するための物性的ポテンシャルを評価する。より良い頂点再構築とバックグラウンド低減にもかかわらず、重ねがかりニュートラルレプトン（HNLs）、オービット型粒子（ALPs）、非弾性ダークマター（iDM）といったベンチマークモデルでは、主に角度的および空間的制限のため、Belle IIに比べて感度向上は限定的である。研究は、Belle IIがLLPsを発見した場合に遠方検出器が最も価値があると結論づける。その場合、複雑な最終状態の詳細な崩壊構造の研究が可能になる。

ABSTRACT

We have studied three realistic benchmark geometries for a new far detector GAZELLE to search for long-lived particles at the \superkekb accelerator in Tsukuba, Japan. The new detector would be housed in the same building as Belle II and observe the same $e^+e^-$ collisions. To assess the discovery reach of GAZELLE, we have investigated three new physics models that predict long-lived particles: heavy neutral leptons produced in tau lepton decays, axion-like particles produced in $B$ meson decays, and new scalars produced in association with a dark photon, as motivated by inelastic dark matter. We do not find significant gains in the new physics discovery reach of GAZELLE compared to the Belle II projections for the same final states. The main reasons are the practical limitations on the angular acceptance and size of GAZELLE, effectively making it at most comparable to Belle II, even though backgrounds in the far detector could be reduced to low rates. A far detector for long-lived particles would be well motivated in the case of a discovery by Belle II, since decays inside GAZELLE would facilitate studies of the decay products. Depending on the placement of GAZELLE, searches for light long-lived particles produced in the forward direction or signals of a confining hidden force could also benefit from such a far detector. Our general findings could help guide the design of far detectors at future electron-positron colliders such as the ILC, FCC-ee or CEPC.

研究の動機と目的

• e+e−衝突で生成される長寿命粒子（LLPs）の探索における、提案された遠方検出器GAZELLEの発見感度を評価すること。
• 重ねがかりニュートラルレプトン（HNLs）、オービット型粒子（ALPs）、非弾性ダークマター（iDM）という3つのベンチマーク新物理モデルについて、GAZELLEとBelle IIの感度を比較すること。
• 実用的制約（角度的カバー範囲やサイズ）がある中で、遠方検出器がLLPs感度を顕著に向上させられるかを検討すること。
• 前方LLP生成や閉じ込められたダークセクターといった代替の物理的機会について、GAZELLEの可能性を検討すること。
• 将来のe+e−衝突型加速器（ILC、FCC-ee、CEPC）が、LLPs探索のための遠方検出器を設計するにあたり、Belle IIの経験から何を指針とするべきかを示すこと。

提案手法

• トラッキングによるLLP崩壊からの荷電粒子を最適化した、異なる角度的カバー範囲と径方向厚さを持つ3つの現実的でGAZELLE検出器の幾何形状を提案する。
• モンテカルロシミュレーションを用いて、3つのベンチマークモデル（τ崩壊からのHNLs、B中間子崩壊からのALPs、iDMモデルにおける新しいスカラー）におけるLLP生成と崩壊をモデル化する。
• 2本の荷電粒子からの崩壊頂点と質量を再構築するための運動論的再構築技術を適用し、中性または見えない粒子からの運動量欠損を考慮する。
• タイミング情報と方向性情報を用いて宇宙線ミューオンやK0L崩壊を抑制し、低バックグラウンドレベルを達成する。
• GAZELLEの信号効率とバックグラウンド抑制能力を、Belle IIのずれた頂点と運動量欠損の特徴と比較する。
• 前方LLP生成や閉じ込められたダークセクター（例：出現ジェット、フラックスチューブ）といったより広いクラスのモデルへと結果を拡張する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GAZELLEのような遠方検出器は、Belle IIに比べて長寿命粒子の探索感度を顕著に向上させられるか？
• RQ2 GAZELLEにおけるLLP探索の主なバックグラウンドは何か？また、タイミングと角度分解能を用いて効果的に抑制可能か？
• RQ3 GAZELLEの限られた角度的受容範囲は、異なるLLPモデルにおいてBelle IIに比べて感度にどのように影響するか？
• RQ4 前方生成や閉じ込められたダークセクターといった状況では、遠方検出器が顕著な感度優位性を発揮できるか？
• RQ5 Belle IIの経験に基づき、将来のe+e−衝突型加速器（ILC、FCC-ee、CEPC）における遠方検出器の設計に向けた指針は何か？

主な発見

• GAZELLEは、より良い頂点再構築とバックグラウンド抑制を実現しているにもかかわらず、研究された3つのベンチマークモデルにおいて、Belle IIに比べて感度向上は限定的である。
• 主な制限要因は、実用的な角度的受容範囲であり、これにより有効体積が制限され、結果としてBelle IIと比べて到達範囲は最大で同等にとどまる。
• 宇宙線ミューオンや中性カリウム崩壊からのバックグラウンドは、タイミングと方向性情報により低レベルに抑えられるが、受容範囲の制限を補うことはできない。
• Belle IIがLLPsを発見した場合、遠方検出器は極めて重要になる。その場合、GAZELLEは複雑な最終状態の詳細な崩壊頂点および運動論的構造の研究を可能にする。
• 前方LLP生成や閉じ込められたダークセクター（例：出現ジェット、フラックスチューブ）では、GAZELLEの広大な検出面積のおかげで、顕著な感度向上が得られる可能性がある。
• 大規模な土木工事により、GAZELLEの角度的カバー範囲を大幅に拡大すれば、Belle IIに比べてLLPs感度が最大2桁向上する可能性がある。