[논문 리뷰] Hidden sector searches with SHiP and NA62

P. Mermod|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 05.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 18인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 CERN의 SPS에서 진행 중인 NA62 및 SHiP 실험의 고강도 프로톤 비트럼프 및 비트럼프 모드 운영을 통해 은밀한 섹터 입자, 예를 들어 무거운 중성 렙톤(HNL)과 어둠의 광자 등을 탐색할 잠재력을 평가한다. NA62의 비트럼프 모드에서는 질량이 0.45 GeV 이하인 HNL의 혼합 정도까지 $U^2 \sim 10^{-6}$ 수준으로 경쟁적인 제한을 설정한다. 반면 SHiP 및 NA62의 비트럼프 모드는 질량이 최대 5 GeV이고 기존 제약 조건 이하의 혼합 정도를 갖는 HNL을 탐색할 수 있으며, 이는 중성미온 질량 생성, 렙토제네시스, 어둠의 물질과 관련된 영역을 다루게 된다.

ABSTRACT

High-intensity proton beams impinging on a fixed target or beam dump allow to probe new physics via the production of new weakly-coupled particles in hadron decays. The CERN SPS provides opportunities to do so with the running NA62 experiment and the planned SHiP experiment. Reconstruction of kaon decay kinematics (beam mode) allows NA62 to probe for the existence of right-handed neutrinos and dark photons with masses below 0.45 GeV. Direct reconstruction of displaced vertices from the decays of new neutral particles (dump mode) will allow NA62 and SHiP to probe right-handed neutrinos with masses up to 5 GeV and mixings down to several orders of magnitude smaller than current constraints, in regions favoured in models which explain at once neutrino masses, matter-antimatter asymmetry and dark matter.

연구 동기 및 목표

• CERN의 SPS에서 진행 중인 NA62 및 SHiP 실험의 은밀한 섹터에서의 새로운 물리 현상, 특히 무거운 중성 렙톤(HNL)과 어둠의 광자에 대한 민감도를 평가하는 것.
• NA62가 비트럼프 모드(카이온 붕괴 재구성)와 비트럼프 모드(장수 입자인 HNL 붕괴에서 발생하는 이격된 병합점 탐지)에서의 실현 가능성과 예상 성능을 평가하는 것.
• SHiP가 높은 프로톤-타겟 플럭스와 고도의 배경 억제 기술을 갖추고 있어, 질량이 최대 5 GeV이고 혼합 강도가 현재 실험 제약 이하인 HNL을 탐색할 수 있음을 입증하는 것.
• 기존 실험에서 탐색하지 못한 HNL 및 어둠의 광자 매개변수 공간의 영역을 규명하고 제약을 가로막는 것. 특히 중성미온 질량 생성, 비대칭성 생성, 어둠의 물질을 설명하는 모델에 의해 동기화된 영역을 중심으로 한다.

제안 방법

• CERN SPS의 400 GeV 프로톤 비트럼프를 이용해 고율의 하드론을 생성하고, 이들이 HNL 또는 어둠의 광자로 붕괴할 수 있도록 한다.
• NA62의 비트럼프 모드를 활용해 카이온 붕괴 운동량을 재구성(예: $K^+ \to \mu^+ + \text{HNL}$)하고, 누락된 에너지 및 운동량을 통해 HNL 질량을 유추한다.
• NA62 및 SHiP의 비트럼프 모드를 적용해 HNL 붕괴에서 발생하는 이격된 병합점을 탐지하며, 정밀한 트래킹 및 타이밍 검출기를 통해 장수 입자를 식별한다.
• 활성 뮤온 차폐, 버티 태거, 타이밍 해상도(100 ps), 입자 식별 기술을 통한 고도의 배경 억제를 구현해 오염 신호를 줄인다.
• 시뮬레이션을 통해 배경 수준을 추정하였으며, $2 \times 10^{20}$ 프로톤-타겟에서 SHiP의 예상 배경 사건 수는 0.1 이하로 도출되었다.
• NA62 및 SHiP의 민감도를 HNL 매개변수 공간에서 비교하기 위해 CHARM 및 NuTeV 실험의 데이터를 기준으로 삼는다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NA62의 비트럼프 모드는 질량이 0.45 GeV 이하이고 혼합 정도가 $U^2 \sim 10^{-6}$ 수준까지 가능한 HNL에 대해 경쟁적인 제약 조건을 설정할 수 있는가?
• RQ2 NA62의 비트럼프 모드는 질량이 최대 5 GeV이고 수명이 이격된 병합점을 유도하는 HNL에 대해 어떤 민감도를 보이는가?
• RQ3 SHiP의 고강도 비트럼프 구성($2 \times 10^{20}$ 프로톤-타겟)은 현재 제약 이하의 혼합 정도를 갖는 HNL을 한 단계 낮은 수준까지 탐색할 수 있도록 하는가?
• RQ4 SHiP 실험은 기존 실험에서 탐색하지 못한 어둠의 광자 및 기타 장수 은밀한 섹터 입자에 대한 매개변수 공간에 접근할 수 있는가?
• RQ5 SHiP 및 NA62의 배경 억제 기술은 오염 신호를 얼마나 줄여주며, 희귀하고 장수된 HNL 붕괴의 발견 가능성을 높여주는가?

주요 결과

• NA62의 비트럼프 모드는 $6 \times 10^7$개의 $K^+$ 붕괴를 이용해 질량 범위 0.3–4.5 GeV에서 $\nu_\mu$와의 혼합 정도까지 $U^2 \sim 10^{-6}$ 수준으로 제약을 설정하였다.
• NA62 비트럼프 모드의 초도 결과는 질량 범위 0.16–4.5 GeV에서 $\nu_e$와의 혼합 정도까지 $U^2 \sim 10^{-7}$ 수준으로 제약을 설정하였다.
• NA62의 비트럼프 모드는 테스트 런에서 낮은 배경 수준을 보였으며, 상호작용 지점에서 5 cm 이상 떨어진 HNL 후보 병합점이 관측되어 향후 탐색의 가능성에 대한 증거를 제공하였다.
• SHiP는 고도의 배경 억제 시스템 덕분에 $2 \times 10^{20}$ 프로톤-타겟에서 예상 배경 사건 수가 0.1 이하로 예측된다.
• SHiP의 HNL 민감도는 질량 최대 5 GeV, 혼합 정도가 $U^2 \sim 10^{-10}$ 이하까지 확장되어, 시이드 모델, 렙토제네시스, 어둠의 물질에 유리한 영역을 탐색할 수 있다.
• NA62의 비트럼프 모드와 SHiP는 모두 이전 제약 이하의 어둠의 광자 매개변수 공간을 탐색할 것으로 기대되며, 특히 질량 약 0.1 GeV 범위에서 두드러진다.