[論文レビュー] Searches for very weakly-coupled particles beyond the Standard Model with NA62

Babette Döbrich|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

CERNのNA62実験は、高強度のSPS陽子ビームと完全な被覆を持つ検出器系を用いて、標準模型を超える非常に弱く結合する粒子を探索している。カリウム崩壊と専用のビームダンプモードを活用することで、ダークフォトン、アクシオン様粒子、重い中性レプトンといったMeV–GeVスケールの粒子を調査し、CHARM や NuCal といった以前の実験を凌駕する感度を達成している。

ABSTRACT

The NA62 experiment at CERN is designed to measure precisely the rare decay $K^{+} ightarrow π^+ ν\barν$. The intensity and energy of the SPS proton beam used to produce the $K^+$, as well as the hermetic detector coverage and overall geometry, give in addition the opportunity to search for hypothesized weakly-coupled particles at the MeV-GeV mass scale. In these proceedings the focus lies on reviewing these opportunities and sketching the current status of some pertinent searches.

研究の動機と目的

• 標準模型を超える非常に弱く結合する粒子、特にダークフォトン、アクシオン様粒子、重い中性レプトンをMeV–GeVスケールで探索すること。
• NA62のビームラインの幾何構造と高いプロトン対標的（POT）レートを活用して、長寿命で弱く相互作用する粒子の探査範囲を拡大すること。
• 通常モードとビームダンプデータ取得モードを併用し、新粒子の多様な生成メカニズムにアクセスすること。
• バックグラウンド除去技術の妥当性を検証し、2016–2017年のデータを用いた初回の解析を実施し、将来の高統計量ランの指針とする。
• 2021–2023年に予定されている1年間の延長ビームダンプランを支援し、約10^18 POTを達成することで、新物理への感度を最大化すること。

提案手法

• 400 GeVのプロトンがベリリウム標的に衝突し、カリウムとパイオンを生成するNA62ビームラインを用い、TAXアクロマトを介して75 GeVの陽性ハドロンビームを選別する。
• 全長136 mの崩壊空間を備え、低材料バジェットのトラッキングと完全な被覆により、弱く結合する粒子の崩壊生成物を検出する。
• マルチトラックイベント、特に1つ以上のミューオンを含むイベントを対象とした専用トリガーチェーンを適用し、(準)スカラー粒子やダークフォトンの崩壊を捉える。
• コリメーターをずらしてビームを遮断することで、ビームダンプ操作を副次的に行い、上流で新粒子の生成を最大化する。
• 液体キセノンおよび液体クリプトンのコメータを用いて、不可視または準可視崩壊からの電磁的シグナルを検出する。
• 粒子識別、時間測定、幾何的再構成を用いてバックグラウンドを抑制し、ビームハローおよびハドロン崩壊からの信号と区別する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NA62は、$K^+ \to \pi^+ \gamma A'$崩壊に伴う$A' \to \gamma\gamma$または不可視崩壊を伴うダークフォトンを検出可能か？
• RQ2 NA62は、$l = e, \mu$ の場合の$K^+ \to l^+ N$崩壊における重い中性レプトン（N）に対してどの程度の感度を有するか？
• RQ3 ビームダンプモードは、陽子衝突で生成される長寿命のアクシオン様粒子に対する感度をどのように向上させるか？
• RQ4 ビームダンプモードにおけるマルチトラック最終状態の予想されるバックグラウンドは何か？ そして、それらはどのように効果的に抑制できるか？
• RQ5 NA62装置は、CHARM や他の以前の実験では到達できなかった領域を、どの程度カバーできるか？

主な発見

• NA62は2017年に約3×10^12個のカリウム崩壊を取得しており、2016年データの5％程度の解析がすでに公開されている。
• ダークフォトンや重い中性レプトンの崩壊を捉えるために、マルチミューオンおよび高エネルギー電磁的イベントを対象とした専用トリガーチェーンを整備した。
• ビームダンプランでは約10^16プロトン対標的（POT）の統計量を達成し、弱く結合する粒子に対する競争力のある感度を実現した。
• D ≈ 80 m、L ≈ 136 m のNA62装置は、短寿命および長寿命粒子の両方のカバレッジを独自に提供し、CHARM や NuCal の以前の限界を上回る。
• 2016–2017年のデータを用いた$K^+ \to l^+ N$および$K^+ \to \pi^+ \pi^0 \to \pi^+ \gamma A'$（不可視$A'$崩壊を伴う）の初期結果が[4]で報告されており、これらのチャネルに対する初の感度が示された。
• 2021–2023年にかけて約1年間の延長ビームダンプランが計画されており、約10^18 POTのデータ収集が予定されており、新物理の探査可能性が著しく向上する。