[논문 리뷰] Minicharged Particles at Accelerators: Progress and Prospects

M. de Montigny, Pierre-Philippe A. Ouimet외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 15.

Dark Matter and Cosmic PhenomenaPhysics and Astronomy인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 하위 전하를 가진 가상의 약하게 상호작용하는 입자인 미니전하 입자(mCPs)에 대한 이론적 프레임워크와 실험적 제약 조건을 검토한다. LHC에서의 MoEDAL-MAPP 실험에 대한 업데이트된 감도 분석을 제시하며, 런 3 및 향후 고광도 LHC 런에서 질량 0.45–65 GeV, 전하가 2.5×10⁻³e에 이르는 mCPs의 발견 가능성을 95% 신뢰수준에서 예측한다.

ABSTRACT

Minicharged particles (mCPs), hypothetical free particles with tiny electric charges below the elementary charge, $e$, offer a valuable probe of dark sectors and fundamental physics through several clear experimental signatures. Various models of physics beyond the Standard Model predict the existence of such particles, which could help elucidate the ongoing mysteries regarding electric charge quantization and the nature of dark matter. Moreover, a hypothetical scenario involving a small minicharged subcomponent of dark matter has recently been demonstrated as a viable explanation of the anomaly in the 21 cm hydrogen absorption signal reported by the EDGES collaboration. Although several decades of indirect observations and direct experimental searches for mCPs at particle accelerators have led to severe constraints, a substantial window of the mCP mass$\unicode{x2013}$mixing parameter space remains unexplored at the energy frontier accessible to current state-of-the-art accelerators, such as the Large Hadron Collider (LHC). Consequently, mCPs have remained topical over the years, and new experimental searches at accelerators have been gaining interest. In this article, we review the theoretical frameworks in which mCPs emerge and their phenomenological implications, the current direct and indirect constraints on mCPs, and the present state of the ongoing and upcoming searches for mCPs at particle accelerators. Additionally, we present the results of an updated study of the projected sensitivity of the recently approved (and relocated) Phase-1 detector of the MoEDAL's Apparatus for Penetrating Particles (MAPP) experiment to Drell$\unicode{x2013}$Yan pair-produced mCPs at the LHC's Run 3 and the future High-Luminosity LHC.

연구 동기 및 목표

• 숨겨진 섹터 및 벡터 포털 프레임워크 내에서 미니전하 입자(mCPs)의 이론 모델을 검토하기 위해.
• 고에너지 물리학, 천체물리학, 천문학 분야에서 mCPs에 대한 현재의 직접적 및 간접적 실험적 제약 조건을 요약하기 위해.
• LHC에서 Drell–Yan 메커니즘으로 생성된 mCPs에 대한 MoEDAL-MAPP 실험의 예상 감도를 평가하기 위해.
• milliQan, FORMOSA, SHiP와 같은 향후 계획된 실험들과 비교하여 MAPP-1 검출기의 감도를 분석하기 위해.
• 현재 및 향후 가속기 시설에서 접근 가능한 기가 전자보르트(GeV) 스케일에서 mCPs에 대한 아직 탐색되지 않은 매개변수 공간을 규명하기 위해.

제안 방법

• LHC에서 Drell–Yan 쌍으로 생성된 mCPs에 대한 MAPP-1 검출기의 감도를 예측하기 위해 배경이 없는 가정을 사용하였다.
• 13.6 TeV의 질량 중심 에너지에서 mCPs의 생성을 시뮬레이션하기 위해 MadGraph5와 FeynRules를 사용하였다.
• mCPs의 이온화 에너지 손실 및 검출기 재료를 통과하는 방식에 기반해 검출기의 반응을 분석하였다.
• LHC 런 3에 대한 통합 광도 30 fb⁻¹과 고광도 LHC에 대한 더 높은 광도에 대해 감도를 예측하였다.
• milliQan, FORMOSA, FLArE, SHiP와 같은 기존 및 계획된 실험들과 결과를 비교하여 상호보완성을 평가하였다.
• FeynRules를 사용해 mCP 모델을 구현하고 독립적인 시뮬레이션을 통해 모델의 일관성을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고에너지 물리학, 천체물리학, 천문학 분야에서 미니전하 입자(mCPs)에 대한 현재의 실험적 제약 조건는 어떠한가?
• RQ2 LHC의 런 3에서 Drell–Yan 메커니즘으로 생성된 mCPs에 대해 MoEDAL-MAPP 실험의 감도는 어떠한가?
• RQ3 13.6 TeV에서 통합 광도 30 fb⁻¹를 사용할 경우, MAPP-1은 어떤 범위의 mCP 질량과 효과적 전하를 탐지할 수 있는가?
• RQ4 mCP 질량–전하 매개변수 공간에서 MAPP-1, milliQan, FORMOSA, SHiP의 예상 감도는 어떻게 비교되는가?
• RQ5 향후 LHC와 SPS에서의 가속기 실험을 통해 기가 전자보르트(GeV) 질량 범위의 mCPs를 발견할 잠재력은 어떠한가?

주요 결과

• MAPP-1 검출기는 LHC 런 3에서 95% 신뢰수준에서 질량 0.45 GeV에서 65 GeV 사이의 mCPs를 탐지할 수 있을 것으로 예측된다.
• 실험은 기본 전하보다 훨씬 낮은 2.5×10⁻³e에 이르는 효과적 전하를 가진 mCPs의 감도를 확보한다.
• 고광도 LHC에서 MAPP-1의 감도는 크게 향상되어 기존의 제약 조건을 기가 전자보르트(GeV) 질량 범위에서 초월할 것으로 예상된다.
• FORMOSA-II 검출기는 mCPs에 대해 milliQan, MAPP-1, FerMINI 실험의 감도를 초월할 것으로 예측된다.
• SHiP 실험은 질량 0.1에서 5 GeV 사이의 mCPs에 대해 감도를 확보할 것으로 예상되며, 현재의 제약 조건보다 한 단계 높은 감도를 확보할 것으로 기대된다.
• MAPP-1 실험의 예상 감도는 milliQan 및 FORMOSA-I와 경쟁 가능하며, FLArE 및 SHiP와의 상호보완성을 지닌다.