[논문 리뷰] Exploring Dark Sector Portals with High Intensity Experiments

Brian Batell, Nikita Blinov외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 14.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 빔 덤프, $e^+e^-$ 충돌기, 메손/레프톤 시설과 같은 고강도 실험을 통해 경량이고 약하게 결합하는 중재자 입자를 생성하고 탐지함으로써 최소한의 어둠의 세계 포털(벡터, 힉스, 중성미오, 양자색입자 유사 입자(ALP) 포털 포함)을 탐사할 수 있음을 제안한다. 이 실험들이 중재자 질량과 결합 상수 전반에 걸쳐 넓은 감도를 제공함으로써 암흑물질, 중성미오 질량, 강한 CP 문제와 관련된 새로운 물리 현상을 발견할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

A broad program of searches at high intensity experiments during the coming decade and beyond will sensitively probe new light mediator particles interacting through the minimal renormalizable vector, Higgs, and neutrino portals as well as higher-dimension axion-like particle portals. These portals may link the visible and dark sectors and play a critical role in many proposed solutions to some of the big open questions in particle physics and cosmology. In this whitepaper, we survey the theoretical and experimental progress, status, and prospects in the study of minimal dark sector portals.

연구 동기 및 목표

• 보이는 세계와 어둠의 세계를 연결하는 최소한의 포털 상호작용의 이론적 및 실험적 타당성을 평가하기 위해.
• 고강도 실험을 통해 경량 중재자 입자를 탐지할 수 있는 핵심 실험적 국경을 특정하기 위해.
• 벡터, 힉스, 중성미오, ALP 포털에 대해 기존 및 향후 시설의 감도 영역을 매핑하기 위해.
• 포털을 통한 중재자 탐색을 암흑물질, 중성미오 질량, 비대칭성 생성, 강한 CP 문제와 같은 기본 물리 문제와 연결하기 위해.
• 강도의 국경에서 어둠의 세계 물리학에 대한 향후 실험적 및 이론적 투자 방향을 안내하기 위해.

제안 방법

• 차원 다섯 연산자를 사용한 효과적 장 이론을 통해 재규격화 가능한 포털(벡터, 힉스, 중성미오)과 고차원 ALP 포털을 분석한다.
• 다양한 고강도 시설—$e^+e^-$ 충돌기, 양성자/전자 빔 덤프, 고정표적 실험, LHC 기반 탐색—을 활용해 실험 감도를 평가한다.
• 다양한 탐색 전략 적용: 즉각적인 붕괴에 대한 볼록형 탐색, 이격된 측면 탐색, 장수 입자 붕괴, 그리고 부족 운동량 서명.
• 트랙 트리거를 갖춘 DarkQuest, FASER, CODEX-b, REDTOP, MATHUSLA, DUNE, LHCb, HL-LHC와 같은 향후 실험의 감도를 예측한다.
• UV 스케일의 윌슨 계수를 추정하고 $B$-메손 붕괴와 $\Upsilon$ 붕괴로부터 제약 조건을 유도하기 위해 재규격화군 진화를 통합한다.
• LHCb, BaBar, Belle, Belle II로부터의 제약 조건과 예측을 활용해 ALP 매개변수 공간을 정교화하며, 특히 $b \to sa$ 및 $B \to Ka(\gamma\gamma)$ 붕괴에 초점을 맞춘다.

Figure 1 : Near-term and future opportunities to search for visibly decaying massive dark photons interacting through the kinetic mixing vector portal displayed in the dark photon mass $(m_{A^{\prime}})$ – kinetic mixing $(\epsilon)$ parameter space. Constraints from past experiments (gray shaded re

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최소한의 포털 상호작용을 통해 고강도 실험은 어떤 범위의 경량 중재자 입자에 대해 감도를 갖는가?
• RQ2 벡터, 힉스, 중성미오, ALP 포털은 재규격화 가능하거나 효과적 장 이론 프레임워크에서 보이는 세계와 어둠의 세계를 어떻게 연결하는가?
• RQ3 다른 중재자 질량과 결합 강도에 대해 탐색하는 데 가장 효과적인 실험 시설과 탐색 전략는 무엇인가?
• RQ4 UV 완성과 재규격화군 진화의 관점에서, ALP가 광자와 글루온에 결합할 경우 발생하는 제약 조건과 발견 기회는 무엇인가?
• RQ5 FASER, MATHUSLA, Belle II와 같은 기존 및 예측된 실험은 ALP를 통한 어둠의 세계 물리학에 대한 감도를 어떻게 향상시키는가?

주요 결과

• 빔 덤프와 $e^+e^-$ 충돌기를 포함한 고강도 실험은 중재자 질량과 결합 상수 전반에 걸쳐 넓은 감도를 제공한다.
• DarkQuest의 1단계와 2단계, FASER는 이전에 접근 불가능했던 ALP 매개변수 공간의 영역을 탐색할 것으로 예측되며, 특히 $m_a \lesssim 1$ GeV 범위에서 유의미하다.
• LHC 기반 실험인 LHCb, MATHUSLA, DUNE는 광자와 글루온에 대한 ALP 결합을 탐지할 것으로 기대되며, 감도가 $g_{a\gamma\gamma} \sim 10^{-10}$ GeV$^{-1}$까지 확장될 수 있다.
• $B \to Ka(\gamma\gamma)$, $B \to Ka(3\pi)$, $\Upsilon \to \gamma a$ 붕괴로부터의 제약 조건은 특히 1–12 TeV 범위의 UV 스케일에서 유효한 ALP 매개변수 공간을 크게 줄였다.
• 피온을 피하기 위한 결합을 가진 ALP는 $^8$Be와 $^4$He 핵의 탈-excitations 이면에서 나타나는 이면을 설명할 수 있으며, 이는 QCD 악시온과의 연결성을 시사한다.
• ALP 포털은 SIMP 어둠의 물질 모델에서 열적 평형을 매개할 수 있으며, 향후 근접한 ALP 탐색 실험에서 탐색 가능한 매개변수 공간의 대부분을 커버할 수 있다.

Figure 2 : Near-term and future opportunities to search for visibly decaying massive dark scalars interacting through the Higgs portal displayed in the scalar mass $(m_{S})$ – mixing angle $(\sin\theta)$ parameter space. Constraints from past experiments (gray shaded regions) and projected sensitivi