[論文レビュー] Proposal for an Experiment to Search for Light Dark Matter at the SPS

Sarah Andreas, S.V. Donskov+17 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2013

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 53被引用数 38

ひとこと要約

本論文は、CERNのSPSで光のように壁を通り抜ける実験を提案し、10–300 GeVの電子ビームを用いて、$A^{\backprime}$の二電子崩壊 $A^{\backprime} \to e^+e^-$ を通じて軽いダークフォトン（$A^{\backprime}$）を探索する。感度は、$A^{\backprime}$生成断面積と光子生成断面積の比において $\lesssim 10^{-13}$ を達成し、$\epsilon \sim 10^{-5}$–$10^{-3}$ および $M_{A^{\backprime}} \lesssim 100$ MeV の未探索のパラメータ領域をカバーする。

ABSTRACT

Several models of dark matter suggest the existence of dark sectors consisting of SU(3)_C x SU(2)_L x U(1)_Y singlet fields. These sectors of particles do not interact with the ordinary matter directly but could couple to it via gravity. In addition to gravity, there might be another very weak interaction between the ordinary and dark matter mediated by U'(1) gauge bosons A' (dark photons) mixing with our photons. In a class of models the corresponding dark gauge bosons could be light and have the $γ$-A' coupling strength laying in the experimentally accessible and theoretically interesting region. If such A' mediators exist, their di-electron decays A' -> e+e- could be searched for in a light-shining-through-a-wall experiment looking for an excess of events with the two-shower signature generated by a single high energy electron in the detector. A proposal to perform such an experiment aiming to probe the still unexplored area of the mixing strength 10^-5 < $ε$ < 10^-3 and masses M_A' < 100 MeV by using 10-300 GeV electron beams from the CERN SPS is presented. The experiment can provide complementary coverage of the parameter space, which is intended to be probed by other searches. It has also a capability for a sensitive search for A's decaying invisibly to dark-sector particles, such as dark matter, which could cover a significant part of the still allowed parameter space. The full running time of the proposed measurements is requested to be up to several months, and it could be taken at different SPS secondary beams.

研究の動機と目的

• 混合定数 $\epsilon \sim 10^{-5}$–$10^{-3}$ および質量 $M_{A^\prime} \lesssim 100$ MeV の未探索のパラメータ領域における軽いダークフォトン（$A^\prime$）の探査。
• 高エレクトロニクス・ハーモニシティを持つ電磁カルシウム・システムにおける二電子ショワーの特徴を用いた $A^\prime \to e^+e^-$ 崩壊の探索。
• ダークセクター粒子への見えない $A^\prime$ 崩壊に対する感度を確保し、残りの許容可能なパラメータ領域の大部分をカバー。
• APEX や DarkLight などの既存実験がカバーしていない $A^\prime$ パラメータ領域を補完すること。

提案手法

• CERN SPSの10–300 GeVの2次的電子ビームを用い、核子上で $e^-Z \to e^-ZA^\prime$ 散乱により $A^\prime$ を生成する。
• 遮蔽壁の後ろに配置されたコンactで高半球性のシンチレーション・タングステン電磁カルシウム（ECAL2）を用い、二電子ショワーの特徴を検出する。
• 低エネルギー電子およびハドロンの背景を低減するため、シンクロtron放射線検出に基づく高効率なバイト・カウンタおよびビーム・タギングシステムを導入する。
• シンチレーション繊維トラッカーおよびワイヤーチェンバーを用い、ビーム粒子を再構成し、入射電子をタグする。
• ECAL1およびECAL2におけるショワーの運動学的およびトポロジカル解析を用い、$A^\prime$ 崩壊信号と背景を区別する。
• フェーズI（2015年）ではビーム背景を用いて検出器部品を最適化し、フェーズII（2015–2016年）では潜在的なアップグレードを経て、目標感度に到達する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SPSで10–300 GeVの電子ビームを用いた光のように壁を通り抜ける実験は、$A^\prime \to e^+e^-$ 崩壊を検出可能か？
• RQ2 $\epsilon \sim 10^{-5}$–$10^{-3}$ および $M_{A^\prime} \lesssim 100$ MeV の範囲で、$A^\prime$ 生成および崩壊に対する達成可能な感度は何か？
• RQ3 分岐比が $10^{-11}$–$10^{-12}$ 未満のダークマターへの見えない $A^\prime$ 崩壊に対する感度を達成可能か？
• RQ4 ハドロン、ミューオン、低エネルギー電子などのビーム関連背景は、タギングおよびバイトシステムによってどの程度効果的に抑制可能か？
• RQ5 感度を最大化し、背景汚染を最小限に抑えるために最適な検出器構成およびビームパラメータは何か？

主な発見

• $A^\prime \to e^+e^-$ 崩壊モードにおいて、$\sigma(e^-Z \to e^-ZA^\prime)/\sigma(e^-Z \to e^-Z\gamma)$ の比において $\lesssim 10^{-13}$ の感度を達成可能。
• 見えない $A^\prime$ 崩壊においても、同じ比において $\lesssim 10^{-12}$ の感度が達成可能で、まだ許容可能なパラメータ領域の大部分をカバー。
• 低エネルギー電子由来の固有背景は、シンクロtron放射線タギングシステムにより抑制可能。
• フェーズI（2015年）では、検出器部品の最適化とハドロンおよびミューオン汚染の主な背景を測定することを目的とする。
• フェーズII（2015–2016年）では、十分な強度を持つ2次的SPSビームラインを用い、信号検出に適した状態に到達することを目的とする。
• 観測された信号過剰は、標準模型を越えた新しい物理現象を明確に示唆する。