[論文レビュー] Summary Report of Physics Beyond Colliders at CERN

R. Alemany, Clare Burrage+62 more|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 34被引用数 27

ひとこと要約

この論文は、CERNの高エネルギー加速器を超えた物理学的機会について包括的な研究を提示し、標準模型を超える新しい物理を調べるための加速器および非加速器ベースの実験のセットを提案している。EDMリング、ガンマファクトリー、LHCに設置された固定標的に基づく実験といったプロジェクトを概説し、プランクスケールに達する感度でダークマター、オービット的粒子、新しい対称性を調べる可能性を示している。

ABSTRACT

Physics Beyond Colliders is an exploratory study aimed at exploiting the full scientific potential of CERN's accelerator complex and its scientific infrastructure in the next two decades through projects complementary to the LHC, HL-LHC and other possible future colliders. These projects should target fundamental physics questions that are similar in spirit to those addressed by high-energy colliders, but that require different types of beams and experiments. A kick-off workshop held in September 2016 identified a number of areas of interest and working groups have been set-up to study and develop these directions. All projects currently under consideration are presented including physics motivation, a brief outline of the experimental set-up and the status of the corresponding beam and detector technological studies. The proposals are also put in context of the worldwide landscape and their implementation issues are discussed.

研究の動機と目的

• LHCや将来の加速器を越えて、素粒子物理学における根本的問いに答えるための補完的物理学プログラムを同定・開発すること。
• 非加速器および低エネルギービーム実験を通じて、オービット的粒子、ダークフォトン、電気双極子モーメントの探索を含め、新しい物理を調査すること。
• 提案されたプロジェクトがCERNの既存インfraストラクチャ内、特にEHN2、ECN3、およびLHCの実験ホールに実装可能かどうかを評価すること。
• これらのプロジェクトのグローバルな文脈を評価し、国際的な施設と比較して戦略的機会を特定すること。
• 技術的成熟度、ビームラインの互換性、長期的な実験計画を含む、実装のロードマップを提供すること。

提案手法

• 高強度ミューオンおよび電子ビームを用いた新規実験を実施可能にするために、既存のPS/SPSビームライン（例：EHN1、EHN2、ECN3）のアップグレードを提案する。
• ビームダンプ施設、eSPS（電子ビーム施設）、AWAKE++といった新規ビームラインを導入し、希少過程や隠れたセクター粒子の高精度な研究を可能にする。
• LHCに実験を設置するというビジョンを提示し、LHC固定標的およびLHC-LLP実験をLHCで実施することで、既存の陽子およびイオンビームを活用して新しい物理を探索する。
• 電気双極子モーメントによるCP対称性の破れを調べるEDMリング、および高エネルギー光子ビームを提供するガンマファクトリーといった新規施設を提案する。
• 宇宙線または貯蔵ビームに依存する非加速器実験（例：IAXO、JURA、nuSTORM）を検討し、ダークマターおよびニュートリノ物理学に貢献する。
• ビームラインのシミュレーション、検出器の研究開発、立地分析を用いて、CERNの実験ホール全体にわたる技術的および運用上の実現可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CERNにおいて、標準模型を超える新しい物理を調べるための、最も有望な非加速器および低エネルギービームベースの実験は何か？
• RQ2 既存のCERN加速器インfraストラクチャをどのように再利用またはアップグレードすれば、LHCの運用を損なわずに新しい物理実験を実施できるか？
• RQ3 EHN2やECN3といった共用実験ホールに、MUonE、NA64++、COMPASS++といった複数の実験を設置する際の技術的および立地上の制約は何か？
• RQ4 提案されたビームおよび検出器構成を用いることで、オービット的粒子やダークフォトンといった新しい物理の感度閾値はどの程度達成可能か？
• RQ5 国際的な施設と比較して、提案されたプロジェクトの物理学的到達範囲および技術的成熟度はどのようになるか？

主な発見

• EDMリング実験は、特に超軽量のオービット的粒子がダークマターを構成する場合に、電子およびミューオンの振動的電気双極子モーメントを通じてプランクスケールの新しい物理を調べられる。
• eSPSおよびAWAKE++プロジェクトは、長期的に見ればダークフォトン探索に強く有望であり、特にDESY XFELのアップグレードと組み合わせることで効果を発揮する。
• LHC固定標的およびLHC-LLPプログラムは、衝突運用と併存可能であり、LHCbとALICEは異なる受容性およびデータレートのため、異なる物理的シグナルを標的にしている。
• ビームダンプモードでのNA62++実験は、SHiP検出器設計にとって重要な知見を提供する可能性が高く、特に希少なカイオン崩壊に関連して重要である。
• BDF（ビームダンプ施設）およびSHiP検出器の設計は成熟しており、NA62++の早期実装によって、希少崩壊のための長期施設の実現が可能になる。
• プロトンEDM貯蔵実験のためのプロトタイプリングは、本格建設の前に不可欠であり、COSYインfraストラクチャは技術検証のための実現可能な立地として特定されている。