[論文レビュー] SENSEI: Search for Millicharged Particles produced in the NuMI Beam

L. Barak, Itay M. Bloch+29 more|arXiv (Cornell University)|May 8, 2023

Radiation Therapy and Dosimetry被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、フェルミラブのNuMIビーム内でプロトン衝突によって生成されるミリチャージド粒子（mCPs）の探索を、MINOS地下坑道内に設置された低しきい値のSkipper-CCD検出器を用いてSENSEI実験で行った。2020年のデータを解析した結果、3〜6電子のイオン化信号が観測されなかったが、これにより30 MeVから380 MeVの質量範囲のmCPsに対して、これまでで最も厳しい制約が得られた。特に100–210 MeVの範囲では、過去の限界よりも最大2倍の改善が達成された。

ABSTRACT

Millicharged particles appear in several extensions of the Standard Model, but have not yet been detected. These hypothetical particles could be produced by an intense proton beam striking a fixed target. We use data collected in 2020 by the SENSEI experiment in the MINOS cavern at the Fermi National Accelerator Laboratory to search for ultra-relativistic millicharged particles produced in collisions of protons in the NuMI beam with a fixed graphite target. The absence of any ionization events with 3 to 6 electrons in the SENSEI data allow us to place world-leading constraints on millicharged particles for masses between 30 MeV to 380 MeV. This work also demonstrates the potential of utilizing low-threshold detectors to investigate new particles in beam-dump experiments, and motivates a future experiment designed specifically for this purpose.

研究の動機と目的

• 標準模型の拡張理論で予言されるが、未だ検出されていないMeVからGeVの質量範囲のミリチャージド粒子（mCPs）の探索を目的とする。
• MINOS地下坑道内に設置された低バックグラウンド・低検出しきい値のSkipper-CCD検出器を活用し、弱い相互作用を示すmCPsに対する感度を向上させることを目的とする。
• 高強度のNuMIプロトンビームと正確なイオン化エネルギー損失測定を活用することで、既存のmCPsに関する実験的制約を改善することを目的とする。
• シリコン内での電子エネルギー損失に伴うバルクプラズモン励起が、低しきい値検出においてmCP検出を強化するメカニズムを検証することを目的とする。
• 既存の加速器施設に低しきい値検出器を設置することで、mCPsやダークマター候補粒子の新物理探索が可能であることを示し、その実現可能性を検証することを目的とする。

提案手法

• SENSEI実験は、検出しきい値が約1.5 eV（約3電子に相当）のSkipper-CCD検出器を用い、NuMIビーム内でのmCPsによるイオン化信号を測定する。
• 検出器はフェルミラブのMINOS地下坑道内に設置されており、ここではNuMIビームのプロトンが固定された炭素標的と衝突し、高エネルギー反応によってmCPsが生成される。
• シリコン中でのmCPsの相互作用を理論的にモデル化する際には、電子エネルギー損失分光法とGPAWベースの計算を用い、特に低エネルギー領域におけるバルクプラズモン励起の寄与を強調した。
• 予想されるイベント数は、簡略化された式 $ N(\varepsilon,m_{\chi}) = N_e \Phi_{\rm fast}(\varepsilon,m_{\chi}) \sigma_{\rm det} $ を用いて計算され、ここで $ \Phi_{\rm fast} $ はローレンツ因子 $ \gamma > 3 $ を持つmCPsのフラックスを表し、$ N_e $ は検出器内の電子数を表す。
• バックグラウンドは1電子チャンネルごとに評価され、95%信頼水準（C.L.）の境界を設定するために頻度主義の尤度比法を用いて限界を統合した。
• 幾何的効果は、平均自由行程近似を用いて間接的に取り入れられ、検出確率は検出器の体積と相互作用断面積にのみ依存する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 30 MeVから380 MeVの質量範囲におけるミリチャージド粒子に対して、最も厳しい実験的制約は何か？
• RQ2 低イオン化信号を示す超相対論的mCPsを、ビームダム環境で検出する際、Skipper-CCD技術はどの程度効果的か？
• RQ3 シリコン内のバルクプラズモン励起は、非常に小さな電荷を持つmCPsの検出断面積をどの程度向上させるか？
• RQ4 既存の加速器施設に設置された低しきい値検出器は、目的に特化した実験と比較して、mCPs検出に競争力のある感度を達成できるか？
• RQ5 SENSEIの制約は、同様の質量・電荷範囲における以前の実験（例：milliQ、milliQan、MiniBooNE）のものと比較して、どのように異なるか？

主な発見

• SENSEI実験は、NuMIビームの2020年データを基に、30 MeVから380 MeVの質量範囲のミリチャージド粒子に対して、これまでで最も厳しい制約を設定した。
• 3〜6電子のイオン化信号が観測されなかったため、このエネルギー領域におけるmCP生成断面積の95% C.L.上界が得られた。
• 特に感度が最も高い領域である100 MeVから210 MeVの範囲では、過去の限界よりも最大2倍の改善が達成された。
• mCPsとシリコンの相互作用断面積は、バルクプラズモン励起によって顕著に増大し、非常に小さなミリ電荷に対しても検出が可能になる。
• Skipper-CCD検出器の低しきい値と低バックグラウンド特性は、mCPsやその他の弱い相互作用を示す粒子の検出に極めて適している。
• 本研究は、既存のインfraストラクチャに低しきい値検出器を設置することで、競争力のある感度が得られることを示した。今後のmCP探索を目的とした最適化された実験の実施を促進する。