[논문 리뷰] FLArE up dark sectors with EM form factors at the LHC Forward Physics Facility

Felix Kling, Jui-Lin Kuo외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 LHC의 포워드 물리 시설(FPF)에 위치한 포워드 액체 헬륨 실험(FLArE)을 활용하여, 밀리charged 입자, 자기/전기 dipole moment, anapole moment과 같은 전자기 형상인 하위-GeV 어두운 섹터 입자를 전자 산란 서명을 통해 탐색할 것을 제안한다. FLArE는 100 MeV–100 GeV 범위의 밀리charged 입자 및 dipole moment 입자에 대해 강력한 감도를 확보하며, 직접 탐지 및 시나라이트 기반 탐색과의 보완적 탐색을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Despite being mostly secluded, dark sector particles may feebly interact with photons via a small mass-dimension 4 millicharge, a mass-dimension 5 magnetic and electric dipole moment, or a mass-dimension 6 anapole moment and charge radius. If sufficiently light, the LHC may produce an intense and collimated beam of these particles in the far forward direction. We study the prospects of searching for such dark sector particles with electromagnetic form factors via their electron scattering signature in the Forward Liquid Argon Experiment (FLArE) at the Forward Physics Facility (FPF). We find that FLArE can provide new probes of sub-GeV dark particles with dipole moments and strong sensitivities for millicharged particles in the 100 MeV to 100 GeV region. This complements other search strategies using scintillation signatures or dark matter direct detection and allows for probing strongly interacting dark matter motivated by the EDGES anomaly. Along with the FORMOSA detector, this leads to a very versatile and leading experimental program in the search for millicharged particles in the FPF.

연구 동기 및 목표

• 어두운 섹터 입자에 대한 전자기 형상인자를 갖는 FLArE 검출기의 발견 잠재력을 탐색하기 위해.
• 100 MeV–100 GeV 질량 범위 내에서 밀리charged 입자 및 dipole moment 상호작용에 대한 감도를 평가하기 위해.
• 약하게 상호작용하는 어두운 물질에 대한 기존의 직접 탐지 및 시나라이트 기반 탐색과의 보완을 위해.
• 경량이고 장수명인 어두운 상태를 탐색하기 위해 LHC의 고중심질량 에너지와 포워드 기하학적 구조를 활용하기 위해.
• 다양하고 보완적인 밀리charged 입자 탐색을 가능하게 하여 광범위한 FPF 프로그램에 기여하기 위해.

제안 방법

• 어두운 섹터 입자의 전자기 형상인자(밀리charged, dipole moment, 전하 반경 상호작용 포함)를 모델링하기 위해 효과적 장 이론(EFT)을 사용한다.
• √s = 14 TeV에서의 pp 충돌을 시뮬레이션하여 전자기 결합이 억제된 포워드 생성 어두운 입자를 생성한다.
• GENIE와 PYTHIA8를 사용하여 전자 산란을 모델링하기 위해 이벤트 생성 및 재구성 기법을 적용한다.
• GEANT4를 사용하여 FLArE 액체 헬륨 TPC 내 에너지 손실 및 이온화 신호를 모델링하기 위해 검출기 시뮬레이션을 구현한다.
• 신호 효율, 배경 제거 및 통계적 유의성(CLs)를 사용하여 감도 분석을 수행하고 발견 가능 범위를 결정한다.
• FASER, SHiP 및 직접 탐지 실험의 기존 제약 조건과 결과를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FLArE는 100 MeV–100 GeV 질량 범위 내에서 전자기 전하가 O(10−3) 수준인 밀리charged 입자를 탐지할 수 있는가?
• RQ2 FLArE는 전자 산란를 통해 자성 또는 전기 dipole moment을 갖는 어두운 섹터 입자에 대해 어떤 감도를 갖는가?
• RQ3 하위-GeV 어두운 물질에 대해 FLArE의 감도는 다른 LHC 기반 실험 및 비- collider 실험과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 어떤 정도로 FLArE는 전자기 형상인자를 통해 EDGES 이상 현상에 기인하는 어두운 물질 모델을 탐색할 수 있는가?
• RQ5 액체 헬륨 검출기에서 전자 산란를 통해 강하게 상호작용하는 어두운 물질의 발견 잠재력은 무엇인가?

주요 결과

• FLArE는 100 MeV–100 GeV 질량 범위 내에서 전자기 전하가 O(10−3) 수준인 밀리charged 입자에 대해 강력한 감도를 확보한다.
• 특히 하위-GeV 영역에서 자성 및 전기 dipole moment을 갖는 어두운 섹터 입자에 대해 경쟁 가능한 탐색 능력을 제공한다.
• 전자가 산란를 통해 강하게 빈도가 높은 빈도의 어두운 물질 모델, 즉 EDGES 이상 현상에 기인하는 모델을 탐색할 수 있다.
• 100 MeV–1 GeV 창에서 FLArE의 밀리charged 입자 감도는 많은 기존의 콜라이더 및 비-콜라이더 실험을 초월한다.
• FLArE는 FPF에 위치한 FORMOSA 검출기와 보완되어 밀리charged 입자 탐색을 위한 다양한 보다 강력한 실험 프로그램을 가능하게 한다.
• 본 연구는 포워드 액체 헬륨 검출기가 전자기 형상인자를 갖는 경량이고 약하게 상호작용하는 어두운 섹터 입자를 탐색하는 데 강력한 도구임을 입증한다.