[論文レビュー] Searching for a new force at VEPP-3

B. Wojtsekhowski, D. M. Nikolenko+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 32

ひとこと要約

本論文は、VEPP-3のストレージリングで内部水素標的にて $e^+e^-$ annihilations を用いた、5–20 MeV の質量範囲の軽い新しいゲージボソン (A′) の探索を提案している。$e^+e^- \to \gamma A'$ における光子の検出と見かけの質量再構成により、A′の崩壊モードに依存せず、信号対雑音比 5:1 の条件下で 15 MeV において $|f_{eA'}|^2 = 1.1 \times 10^{-8}$ の上限を達成する。これは電子の $g-2$ 測定による制約に比べて1000倍の改善である。

ABSTRACT

We propose an experiment to search for a new gauge boson, A$^\prime$, in $e^+e^-$ annihilation by means of a positron beam incident on a gas hydrogen target internal to the VEPP-3 storage ring. The search method is based on a missing mass spectra in the reaction $e^+e^- ightarrow γ$ A$^\prime$. It allows observation of the A$^\prime$ signal independently of its decay modes and life time. The projected result of this experiment corresponds to an upper limit on the square of coupling constant $|f_{e ext{A}{^\prime}}|^2=1\cdot 10^{-8}$ with a signal-to-noise ratio of five to one at an A$^\prime$ mass of 15 MeV.

研究の動機と目的

• 既存の実験で poorly 約束されていない 5–20 MeV の質量範囲における新しい軽いゲージボソン (A′) の探索を目的とする。
• 特定のA′崩壊モードに依存する過去の探索の制限を克服し、高エネルギー加速器を必要としない。
• VEPP-3施設の高インテンシティ陽電子ビームと内部水素標的を活用し、感受性の高い固定標的実験を実現する。
• $e^+e^- \to \gamma A'$ における見かけの質量再構成により、A′の検出に 5:1 の信号対雑音比を達成する。
• 電子の異常磁気モーメント測定による制約に比べ、電子-A′結合定数の制限を最大1000倍改善する。

提案手法

• VEPP-3ストレージリング内に設置された内部水素標的へ 500 MeV 陽電子ビームを入射させ、$e^+e^-$ annihilations イベントを生成する。
• 対称的で、方位角および立体角にわたる光子検出器を用いて、$e^+e^- \to \gamma A'$ からの高エネルギー光子を検出する。
• 散乱陽電子を検出し、拒否するバイトシステムを適用し、QEDのブレムストラールバックグラウンドを 50–100 倍低減する。
• 最終状態の見かけの質量を再構成することで、A′ボソンをその崩壊モードや寿命に依存せずに同定する。
• 15 MeV の光子エネルギーを中心に 15% のエネルギー窓を用い、A′信号を分離する。エネルギー分解能は 5% とする。
• 6か月間の走行で $10^{32}$ cm$^{-2}$s$^{-1}$ のランクスティリティを達成し、75% のドゥーティーサイクルを維持して $3.5 \times 10^{11}$ イベントを蓄積する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 5–20 MeV の質量を有する新しい軽いゲージボソン (A′) は、見かけの質量技術を用いた $e^+e^-$ annihilations により検出可能であろうか？
• RQ2 提案された手法は、A′の崩壊モードや寿命に依存せずに感度を有するであろうか？
• RQ3 VEPP-3実験における電子-A′結合定数 $f_{eA'}$ の予想される感度はどの程度であろうか？
• RQ4 この実験の感度は、電子 $g-2$ や他の固定標的・衝突加速器実験からの既存の制約と比較してどの程度であろうか？
• RQ5 陽電子バイトと光子検出器の幾何配置によるバックグラウンド抑制は、信号検出をどの程度向上させるであろうか？

主な発見

• 15 MeV の質量を有するA′ボソンの検出において、信号対雑音比が5:1に達する見込みである。
• 6か月間、$10^{32}$ cm$^{-2}$s$^{-1}$ のランクスティリティで走行した場合、15 MeV における電子-A′結合定数の二乗の上限は $|f_{eA'}|^2 = 1.1 \times 10^{-8}$ である。
• 抑制後のバックグラウンド率は、 annihilations 光子率の 0.08% と推定され、統計的不確実性は $1.7 \times 10^4$ イベントである。
• 15 MeV 付近の $m_{A'}$ に対して、電子の異常磁気モーメント制約に比べて感度が最大1000倍向上する。
• 陽電子バイトと対称的光子検出により、バックグラウンド抑制要因が 50–100 倍に上昇し、感度が1桁向上する。
• 本実験は、既存のビームダンプや衝突ビーム実験が十分にカバーしていない 5–20 MeV 範囲のA′ボソンに対して感受性を有する。