[論文レビュー] Proposal to Search for Heavy Neutral Leptons at the SPS

W. Bonivento, Alexey Boyarsky+14 more|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 13被引用数 65

ひとこと要約

本論文は、CERNのSPS加速器を用いた固定標的実験を提案し、charm中間子の崩壊を通じて重い中性レプトン（HNL）を探索する。磁気スペクトロメーター、カリメーター、ミューオン検出器を備えた検出器を用い、HNLの崩壊を再構築し、質量を測定する。この実験は、2 GeV未満のHNLに対して、従来の実験と比較して感度を4桁向上させ、宇宙論的に好ましいパラメータ領域の大部分をカバーする。

ABSTRACT

A new fixed-target experiment at the CERN SPS accelerator is proposed that will use decays of charm mesons to search for Heavy Neutral Leptons (HNLs), which are right-handed partners of the Standard Model neutrinos. The existence of such particles is strongly motivated by theory, as they can simultaneously explain the baryon asymmetry of the Universe, account for the pattern of neutrino masses and oscillations and provide a Dark Matter candidate. Cosmological constraints on the properties of HNLs now indicate that the majority of the interesting parameter space for such particles was beyond the reach of the previous searches at the PS191, BEBC, CHARM, CCFR and NuTeV experiments. For HNLs with mass below 2 GeV, the proposed experiment will improve on the sensitivity of previous searches by four orders of magnitude and will cover a major fraction of the parameter space favoured by theoretical models. The experiment requires a 400 GeV proton beam from the SPS with a total of 2x10^20 protons on target, achievable within five years of data taking. The proposed detector will reconstruct exclusive HNL decays and measure the HNL mass. The apparatus is based on existing technologies and consists of a target, a hadron absorber, a muon shield, a decay volume and two magnetic spectrometers, each of which has a 0.5 Tm magnet, a calorimeter and a muon detector. The detector has a total length of about 100 m with a 5 m diameter. The complete experimental set-up could be accommodated in CERN's North Area. The discovery of a HNL would have a great impact on our understanding of nature and open a new area for future research.

研究の動機と目的

• 標準模型ニュートリノの右巻きパートナーである重い中性レプトン（HNL）を、これまで未探索のパラメータ領域で探索すること。
• 標準模型の主要な欠陥、すなわちニュートリノ質量の起源、宇宙におけるバリオン非対称性、そしてダークマターの解決に寄与すること。
• CHERとNuTeVなどの従来の固定標的実験と比較して、HNLの実験的感度を4桁向上させること。
• 特に2 GeV未塔のHNL質量および$U^2_\mu$が$10^{-7}$から$10^{-9}$の範囲で、宇宙論的に好ましいHNLパラメータ領域を探索すること。

提案手法

• 5年間で$2 \times 10^{20}$個の陽子を標的に照射する400 GeVの陽子ビームをSPS加速器から使用し、charm中間子を生成する。
• 標的、ハドロン吸収体、ミューオンシールド、崩壊領域、および2つの磁気スペクトロメーター（それぞれ0.5 Tmの磁場を有する）から成る検出器システムを採用し、カリメーターとミューオン検出器を備える。
• 粒子識別および運動量再構築技術を用いて、排他的なHNL崩壊を再構築し、HNL質量を測定する。
• 既存の検出器技術を活用することで、研究開発の必要を最小限に抑え、数年以内に中程度規模の共同研究グループによって建設が可能となるようにする。
• 既存の400 GeV pCuデータに基づくシミュレーションを用い、カリメーターでの$p_T$分布を測定することで、charm崩壊からのニュートリノフラックスを特定する。
• CERNの機器専門家と協力してビームラインおよび放射線設計を実施し、実現可能性と安全性を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SPS加速器における固定標的実験は、CHARM や NuTeV などの従来の実験と比較して、2 GeV未満のHNLに対して4桁の感度向上を達成できるか？
• RQ2 2 GeV未満のHNLと$U^2_\mu \sim 10^{-7}$から$10^{-9}$の範囲で、宇宙論的に好ましいパラメータ領域が、SPSに新規検出器を設置することでアクセス可能か？
• RQ3 排他的崩壊チャンネルにおける粒子識別およびインバリアント質量再構築を用いることで、HNL信号をバックグラウンドから区別できるか？
• RQ4 将来のLHCベースの探索や、FNALやKEKのような他の固定標的施設と比較して、提案されたSPS実験の期待される感度はどの程度か？
• RQ5 既存技術に基づく検出器設計は、数年以内に実装可能であり、必要なビームおよび放射線条件を満たすことができるか？

主な発見

• 提案された実験は、2 GeV未満のHNLに対して、従来の探索と比較して4桁の感度向上を達成する。
• 理論的モデルが好むHNLパラメータ領域の大部分をカバーしており、特に$U^2_\mu \sim 10^{-7}$から$10^{-9}$の範囲で顕著である。
• PS191、BEBC、CHARM、CCFR、NuTeVがカバーできなかった、宇宙論的に関連性のあるHNLパラメータ領域を探索可能であると予想される。
• $2 \times 10^{20}$個のプロトンを標的に照射することで、HNLの生成フラックスは十分に高く、5年間のデータ取得で発見が可能と予想される。
• 既存技術とモジュール型スペクトロメーターに基づく検出器設計は実現可能であり、大規模な研究開発フェーズを必要としない。
• LHCベースの探索と比較して、SPS実験ははるかに優れた感度を示すと予想される。これは、生成断面積が低く、幾何的条件も不利であるため、イベントレートが約1/200にまで低下すると推定される。