[論文レビュー] SHADOWS (Search for Hidden And Dark Objects With the SPS)

W. Baldini, A. Balla+21 more|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 18被引用数 12

ひとこと要約

SHADOWSは、CERNのSPSで400 GeVの陽子ビームを用いたビームダンプ実験を提案し、MeV–GeVスケールの質量領域における弱く相互作用する粒子（FIPs）を探索する。既存のP42ビームラインおよびNA62インfrastrucureを活用する。これまで未探索のパラメータ領域をカバーし、現在の制限と比較してFIP結合定数の感度を1〜4桁向上させ、ダークセクター粒子や軽い媒介粒子の発見可能性を高める。

ABSTRACT

We propose a new beam-dump experiment, SHADOWS, to search for a large variety of feebly-interacting particles possibly produced in the interactions of a 400 GeV proton beam with a high-Z material dump. SHADOWS will use the 400 GeV primary proton beam extracted from the CERN SPS currently serving the NA62 experiment in the CERN North area and will take data off-axis when the P42 beam line is operated in beam-dump mode. SHADOWS can accumulate up to a ~2 x10^19 protons on target per year and expand the exploration for a large variety of FIPs well beyond the state-of-the-art in the mass range of MeV-GeV in a parameter space that is allowed by cosmological and astrophysical observations. So far the strongest bounds on the interaction strength of new feebly-interacting light particles with Standard Model particles exist up to the kaon mass; above this threshold the bounds weaken significantly. SHADOWS can do an important step into this still poorly explored territory and has the potential to discover them if they have a mass between the kaon and the beauty mass. If no signal is found, SHADOWS will push the limits on their couplings with SM particles between one and four orders of magnitude in the same mass range, depending on the model and scenario.

研究の動機と目的

• 弱く相互作用する粒子（FIPs）のMeV–GeVスケールのパラメータ領域、特に中間子質量より上を探索し、ここでは既存の制限が弱まる。
• 宇宙論的および素粒子物理学の謎を説明できる可能性があるダークマター候補、オキシド・ライク粒子（ALPs）、重い中性レプトン、および軽いスカラー粒子の探索。
• CERN SPSの高強度400 GeV陽子ビームをビームダンプモードで利用し、年間最大2×10^19プロトンを標的に照射可能とする。
• MeV–5 GeV範囲において、FIPと標準模型粒子との結合定数に関する既存の制限を1〜4桁向上させる。
• 既存の加速器インfrastrucureおよび検出技術を活用して、FIP探索の新たな実験的フロンティアを確立する。

提案手法

• CERN SPSのP42ビームライン（現在NA62が使用中）をビームダンプモードとして利用し、高Z標的にして陽子衝突によりFIPsを生成する。
• スチルシレーティングタイルとSiPM読み出しを組み合わせた4ステーションのミューオン系を設置し、タイル1枚あたり250–300 psの時間分解能と99.8%以上の検出効率を達成する。
• 磁場を用いたミューオンスイーピングシステムと検出器ベースのバックグラウンド抑制を導入し、ミューオン由来のバックグラウンドを低減する。
• 二次粒子を吸収し、崩壊領域での信号純度を向上させるために、鉄フィルタ（約3.0λ_Iの厚さ）を設置する。
• 上流に高グレインのスチルシレーティングタイルを用いたバイトシステムを設置し、残留ミューオンをタグ付けし、バックグラウンドを低減する。
• トラッキング、時間測定、電磁気的およびハドロン的ケロリメータ、およびセグメント化されたミューオン系を含む多層検出器を設計し、完全なイベント再構築を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SHADOWSは、中間子質量と beauty クォーク質量の間の質量領域に位置する、まだ未発見の弱く相互作用する粒子（FIPs）を発見できるか？
• RQ2 SHADOWSは、MeV–GeVスケールのFIPと標準模型粒子との結合定数に対する感度をどの程度向上できるか？
• RQ3 ビームダンプ運転、磁場を用いたミューオンスイーピング、およびアクティブバイトシステムの組み合わせが、ミューオン由来バックグラウンドをどの程度効果的に抑制できるか？
• RQ4 SHADOWSは、オキシド・ライク粒子（ALPs）、軽いスカラー、および重い中性レプトンといったダークセクター粒子の物理的到達可能性をどの程度達成できるか？
• RQ5 SHADOWSは、FIP生成と検出を通じて強いCP問題、ニュートリノ質量生成、バリオン非対称性の謎を解明するモデルを探索可能か？

主な発見

• SHADOWSは年間最大2×10^19プロトンを標的に照射可能であり、MeV–GeVスケールのFIP質量領域における高精度な探索を可能にする。
• 実験は、モデルやシナリオに応じて、FIPと標準模型粒子との結合定数に関する制限を1〜4桁向上させる見込みである。
• INFN Frascatiおよびボローニャでのプロトタイプテストで、SiPM読み出しを用いたスチルシレーティングタイル1枚あたり250–300 psの時間分解能が実証された。
• ステッガード・チェス盤様なレイアウトを採用した16または32タイルモジュールを用いたミューオン系は、最小限のデッドゾーンとバランスの取れた機械的負荷を実現する。
• 磁場によるミューオンスイーピングとアクティブバイトシステムの併用により、バックグラウンド抑制が達成され、ミューオン由来バックグラウンドは管理可能な水準にまで低減される。
• 予備的なスケジュールでは、長期停止3期中に設置を予定し、Run 4の初期にパイロットランを実施し、Run 5までに5×10^19プロトンを標的に照射可能とする。