[論文レビュー] Search for Light Dark Matter with NA64 at CERN

Yu. M. Andreev, D. Banerjee+61 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2023

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、CERNのSPSで電子-陽子衝突を用いて、最初の直接探索として、0.35 GeV未満の質量を持つダークフォトン（A′）を媒介とする1 GeV未塔のダークマターを検出する。9.37×10¹¹個の電子を標的に照射した結果、mA′ ≲ 0.35 GeVの範囲で、A′と光子との結合定数に関する、これまでで最も感受性の高い制限を設定した。また、質量範囲 0.001 ≲ mχ ≲ 0.1 GeV および 3mχ ≤ mA′ の範囲で、χ−A′結合定数 αD ≤ 0.1 であるスカラーおよびメジャナーダークマターを除外した。

ABSTRACT

Thermal dark matter models with particle $χ$ masses below the electroweak scale can provide an explanation for the observed relic dark matter density. This would imply the existence of a new feeble interaction between the dark and ordinary matter. We report on a new search for the sub-GeV $χ$ production through the interaction mediated by a new vector boson, called the dark photon $A'$, in collisions of 100 GeV electrons with the active target of the NA64 experiment at the CERN SPS. With $9.37 imes10^{11}$ electrons on target collected during 2016-2022 runs NA64 probes for the first time the well-motivated region of parameter space of benchmark thermal scalar and fermionic dark matter models. No evidence for dark matter production has been found. This allows us to set the most sensitive limits on the $A'$ couplings to photons for masses $m_{A'} \lesssim 0.35$ GeV, and to exclude scalar and Majorana dark matter with the $χ-A'$ coupling $α_D \leq 0.1$ for masses $0.001 \lesssim m_χ\lesssim 0.1$ GeV and $3m_χ\leq m_{A'}$.

研究の動機と目的

• 電弱スケール未満の質量を持つ熱的軽いダークマターのパラメータ空間を調査すること。
• 標準模型光子との運動的混合を通じて、見えないダークフォトン（A′）が軽いダークマター（χ）に崩壊するのを探索すること。
• 0.35 GeV未塔の質量範囲において、ダークフォトンと光子との結合定数およびχ−A′相互作用強度に関する、改善された制限を設定すること。
• 熱的凍結アウトの文脈において、スカラーおよびフェルミオン的ダークマターのベンチマークモデルをテストすること。
• 加速器エネルギーレベルにおいて、ダークフォトンポータルがダークセクターと可視セクターの間の媒介者として有効であるかを検証すること。

提案手法

• NA64実験は、100 GeVの電子ビームを液体アルゴン標的に照射する固定標的実験装置を用いる。
• ダークフォトンの生成は、標準模型光子との運動的混合を通じて行われ、結合強度は ϵ で表される。
• A′は運動的に許可される場合、すなわち mχ < mA′/2 の場合、見えない形でダークマター粒子 χ に崩壊する。
• 実験では、最終状態における欠落エネルギーおよび運動量を測定することで、見えないA′崩壊を同定する。
• GEANT4を用いたモンテカルロシミュレーションにより、検出器の応答およびバックグラウンド過程をモデル化する。
• 統計的解析には、プロファイル尤度法およびCLs手法を用い、信号断面積の上界を設定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NA64実験は、電子-陽子衝突において、ダークフォトン（A′）の見えない崩壊が軽いダークマター（χ）に及ぶのを検出できるか？
• RQ2 0.35 GeV未塔のダークフォトン質量において、A′と光子との結合定数に関する最も厳しい制限は何か？
• RQ3 NA64のデータは、χ−A′結合定数 αD ≤ 0.1 であるスカラーおよびメジャナーダークマターのモデルをどの程度まで除外できるか？
• RQ4 実験結果は、mχ ≲ 0.1 GeVおよびmA′ ≲ 0.35 GeV の範囲におけるベンチマーク熱的ダークマターモデルをどの程度まで制限するか？
• RQ5 CERNのSPSは、0.35 GeV未塔の質量範囲において、ダークフォトンポータルの感受性をどの程度持つか？

主な発見

• NA64実験は、0.35 GeV未満のダークフォトン質量において、A′と光子との結合定数に関する、これまでで最も感受性の高い制限を設定した。
• ダークマター生成の証拠は観測されなかったため、質量範囲 0.001 ≲ mχ ≲ 0.1 GeV および 3mχ ≤ mA′ の範囲で、χ−A′結合定数 αD ≤ 0.1 であるスカラーおよびメジャナーダークマターを除外した。
• 本研究では、固定標的電子ビームを用いて、熱的ダークマターモデルにおける意味のあるパラメータ空間を、初めて探査した。
• mA′ ≲ 0.35 GeV の範囲で、運動的混合パラメータ ϵ に関する制限が最大で1桁改善された。
• 除外限界は他の実験と同等の感受性を持ち、0.35 GeV未塔のダークセクターへの到達範囲を拡大した。
• 解析により、CERNのSPSにおけるNA64実験が、ダークフォトンポータルを通じた軽いダークマターの感受性を確認した。