[論文レビュー] Status of sub-GeV Hidden Particle Searches

Sarah Andreas, A. Ringwald|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2010

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 19被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、ミューオン閾値未満の質量を有する1GeV未満の隠れた粒子、特にNMSSMのCP奇性ヒッグスおよび隠れたU(1)ゲージボソン（隠れた光子）に関する実験的制約をレビューしている。質量がミューオン閾値未満の範囲では、NMSSMのCP奇性ヒッグスは除外され、あるいは標準模型ヒッグスより少なくとも10,000倍弱いカップリングでフェルミオンと結合する必要がある。一方、隠れた光子は依然として妥当であり、DESYのHIPSのような今後の固定標的に実験で探査可能である。

ABSTRACT

Hidden sector particles with sub-GeV masses like hidden U(1) gauge bosons, the NMSSM CP-odd Higgs, and other axion-like particles are experimentally little constrained as they interact only very weakly with the visible sector. For masses below the muon threshold, we present constraints from meson decays, g - 2 as well as beam-dump and reactor experiments. The NMSSM CP-odd Higgs and generally any pseudoscalar is required to be heavier than 210 MeV or couple to fermions much weaker than the SM Higgs. Hidden photons are less constrained and can be searched for at future fixed-target experiments, e.g. HIPS at DESY.

研究の動機と目的

• 1GeV未満の隠れたセクター粒子、特にNMSSMのCP奇性ヒッグスおよび隠れた光子に対する実験的制約を評価すること。
• PAMELAの正電子過剰やDAMAの年齢周期モodulationを説明するダークマター・モデルにおける媒介粒子としての妥当性を評価すること。
• 隠れた光子の未探索のパラメータ空間を同定し、DESY、JLab、MAMIなどの施設における補完的実験探索を提案すること。
• 中間子崩壊、$g-2$測定、ビームダンプ、原子炉実験からの制約を導出し、ミューオン閾値未満の質量範囲に焦点を当てる。

提案手法

• 実験データからの分岐比の上限を用いて、中間子（例：$K^+ \to \pi^+ + X$）の見かけない崩壊および可視的崩壊からのNMSSMのCP奇性ヒッグスへの制約を分析する。
• パイオンの崩壊$\pi^0 \to e^+e^-$が、$A^0$のループ図による一次的寄与を受けることを利用し、フェルミオンへのカップリングを制約する。
• ミューオンの異常磁気モーメント（$a_\mu$）を用いて制約を導出し、$A^0$の寄与が実験と標準模型予測の5σの乖離を悪化させてはならないことを要請する。
• ビームダンプおよび原子炉実験が$A^0 \to e^+e^-$を探索する方法を評価し、$A^0$がブレムストラールや核遷移によって放出されることを考慮する。
• 隠れた光子（$\gamma'$）に対しても同様の制約を適用し、$a_\mu$および$a_e$への1ループ寄与と、$\gamma' \to e^+e^-$を探索するビームダンプ実験を用いる。
• 今後の固定標的に実験（HIPS、APEX、HPS、DarkLight）の隠れた光子パラメータ空間への感度を予測し、相補的なカバー範囲を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミューオン閾値未満のNMSSMのCP奇性ヒッグスに対する現在の実験的制約は何か？ また、どの質量またはカップリング範囲が依然として妥当なのか？
• RQ2 中間子崩壊、$g-2$測定、および原子炉実験は、軽い偽スカラーがフェルミオンと結合するカップリングをどのように制約するか？
• RQ3 1GeV未満の質量を有する隠れた光子の許容可能なパラメータ空間は何か？ どの実験が未探索領域を探査できるか？
• RQ4 隠れた光子は、PAMELAの正電子過剰やDAMAの年齢周期モodulationを、既存のデータと矛盾せずに説明できるか？
• RQ5 NMSSMのCP奇性ヒッグスに対する制約は、類似したカップリングを有する他のオキシド・ライク粒子に一般化できるか？

主な発見

• NMSSMのCP奇性ヒッグスは、$m_{A^0} < 210$ MeVの範囲で除外され、あるいは標準模型ヒッグスより少なくとも10,000倍弱いカップリングを有する必要がある。$C_{Aff} \lesssim 10^{-2}$ が要求される。
• 質量が210MeV未満の範囲では、フェルミオンへのカップリングが標準模型ヒッグスより少なくとも4桁以上抑制されていなければ、CP奇性ヒッグスは除外される。
• $\pi^0 \to e^+e^-$および$a_\mu$からの制約が、1GeV未満の範囲におけるNMSSMのCP奇性ヒッグスの許容可能なパラメータ空間を完全に閉じている。
• 隠れた光子は、ミューオン閾値未満の広いパラメータ空間で依然として妥当であり、既存の実験からの強い制約はない。
• HIPS（DESY）、APEX（JLab）、DarkLightといった今後の固定標的に実験が、未探索の隠れた光子パラメータ空間を探査すると予想される。
• 隠れた光子の許容可能な全パラメータ空間は、レプチロフィリックなダークマターの消失によってDAMAの年齢周期モodulationとPAMELAの正電子過剰の両方を説明できるため、物性論的に興味深い。