[論文レビュー] The DarkLight Experiment: A Precision Search for New Physics at Low Energies

J. Balewski, J. C. Bernauer+38 more|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2014

Photocathodes and Microchannel Plates参考文献 2被引用数 30

ひとこと要約

DarkLight実験は、ジェファーソンラボで100 MeVの電子と陽子の散乱を用い、10–100 MeV/c²の質量範囲のダークフォトン（A′）を精密に探索することを提案している。ウィンドウレス水素ガス標的にて、散乱電子、反動陽子、e⁺e⁻対を含む完全な最終状態を検出するため、ソレノイド磁場を用い、A′生成および非可視崩壊の5σ発見感度を達成することを目的としている。段階Iはすでに資金調達が完了しており、18か月以内にデータ収集が予想されている。

ABSTRACT

We describe the current status of the DarkLight experiment at Jefferson Laboratory. DarkLight is motivated by the possibility that a dark photon in the mass range 10 to 100 MeV/c$^2$ could couple the dark sector to the Standard Model. DarkLight will precisely measure electron proton scattering using the 100 MeV electron beam of intensity 5 mA at the Jefferson Laboratory energy recovering linac incident on a windowless gas target of molecular hydrogen. The complete final state including scattered electron, recoil proton, and e+e- pair will be detected. A phase-I experiment has been funded and is expected to take data in the next eighteen months. The complete phase-II experiment is under final design and could run within two years after phase-I is completed. The DarkLight experiment drives development of new technology for beam, target, and detector and provides a new means to carry out electron scattering experiments at low momentum transfers.

研究の動機と目的

• 低運動量移行で電子-陽子散乱を用い、10–100 MeV/c²の質量範囲のダークフォトン（A′）を探索すること。
• 専用で高精度な実験により、A′のe⁺e⁻および非可視最終状態（例：f̄f）への結合定数を調べること。
• ダークフォトンがミュオンの異常磁気モーメントの異常および陽子半径パズルを説明できるという仮説を検証すること。
• 低運動量移行電子散乱のための新しい技術、すなわちビーム制御、ウィンドウレスガス標的、トリガーレスデータ取得を開発・実証すること。
• 1 ab⁻¹の統合レアリティでA′生成の5σ発見感度を達成すること。これは従来の制限を超える。

提案手法

• ジェファーソンラボのエネルギー回収線形加速器（ERL）から得られる100 MeVの電子ビーム（5 mA）を、ウィンドウレスで10¹⁹ cm⁻²の厚さの水素ガス標的に照射する。
• 0.5 Tのソレノイド磁場を用い、前方のモーラー電子をガイドし、剛性による運動量分解能を確保するとともに、背景から検出器を遮蔽する。
• シリコン検出器およびガス検出器（GEMおよびマイクロメガストラッカーを含む）を用いて、散乱電子、反動陽子、e⁺e⁻対を含む完全な最終状態を再構築する。
• 高速ADCおよびFPGAを用いたトリガーレス、ストリーミング読み出しシステムを採用し、最大100 MHzのイベントレートを低デッドタイムで処理する。
• 詳細なGeant4シミュレーションを用いて検出器応答とバックグラウンド抑制をモデル化し、多重散乱を1%の放射長以下に抑える。
• BNL-AGSのソレノイド磁場およびOLYMPUSにインspiredされたウィンドウレスガス標的を活用し、コスト削減と導入の加速を図る。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 10–100 MeV/c²の質量をもつダークフォトンが、低エネルギーの電子-陽子散乱による生成と、その後のe⁺e⁻への崩壊によって検出可能かどうか。
• RQ2 DarkLight実験が、A′ → f̄f などの非可視崩壊に対してどの程度の感度を有するか。また、既存の制限と比較してどうか。
• RQ3 1 ab⁻¹のレアリティでA′生成の5σ発見感度をどの程度達成できるか。
• RQ4 高レートのバックグラウンド環境下でも、トリガーレスでストリーミング読み出しシステムが、まれな物理的イベントを効果的に保持できるか。
• RQ5 高出力（0.5 MW）の電子ビームが密度の高いウィンドウレス水素ガス標的に通過する際のビームおよび標的系の系制度はどの程度か。

主な発見

• DarkLight実験の段階Iは、NSF MRIプログラムにより資金調達が完了し、18か月以内にデータ収集が予想されている。これにより、ビームおよび標的性能の妥当性が検証される。
• 実験は、0.4 MWの電子ビームを2 mmの穴を通して安定して伝送できることを実証し、技術的マイルストーンを達成した（損失は6 ppmにとどまる）。
• 1 ab⁻¹の統合レアリティでA′生成の5σ発見感度は、これまでに除外されていなかった結合定数-質量領域にまで到達すると予想されている。
• この実験は、従来の探索では弱く制限されているA′の非可視崩壊を独自に探査できる唯一の立場にある。
• ベリリウム標的パイプおよびフルエアロベニスマイクロメガスレプトントラッカーを含む段階II実験の設計は最終段階にあり、段階I完了後2年以内にデータ収集を開始できる見込みである。
• 高速ADCおよびリアルタイムCPUファームトラッキングを基盤とするトリガーレス、ストリーミング読み出しシステムは開発中であり、高イベントレート下でもまれなe⁻pe⁺e⁻イベントを保持する上で不可欠である。