[논문 리뷰] Physics reach of a long-lived particle detector at Belle II

S. Dreyer, T. Ferber외 10명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 69인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 SuperKEKB에서 장수 입자(LLPs) 탐색을 위한 제안된 원거리 검출기 GAZELLE의 물리적 잠재력을 평가한다. 개선된 복사점 재구성과 배경 감소에도 불구하고, GAZELLE는 두꺼운 중성 뉴트리노(HNLs), 축상 입자(AXPs), 비탄성 어둠료 물질(iDM)과 같은 벤치마크 모델에 대해 벨레 II에 비해 근본적인 민감도 향상은 보이지 않으며, 주로 각도 및 공간적 제약 때문이 다. 연구는 벨레 II가 LLP를 발견할 경우 원거리 검출기가 가장 유용할 것으로 결론 내린다. 이 경우 복잡한 최종 상태의 붕괴 점 및 운동량 연구가 가능해진다.

ABSTRACT

We have studied three realistic benchmark geometries for a new far detector GAZELLE to search for long-lived particles at the \superkekb accelerator in Tsukuba, Japan. The new detector would be housed in the same building as Belle II and observe the same $e^+e^-$ collisions. To assess the discovery reach of GAZELLE, we have investigated three new physics models that predict long-lived particles: heavy neutral leptons produced in tau lepton decays, axion-like particles produced in $B$ meson decays, and new scalars produced in association with a dark photon, as motivated by inelastic dark matter. We do not find significant gains in the new physics discovery reach of GAZELLE compared to the Belle II projections for the same final states. The main reasons are the practical limitations on the angular acceptance and size of GAZELLE, effectively making it at most comparable to Belle II, even though backgrounds in the far detector could be reduced to low rates. A far detector for long-lived particles would be well motivated in the case of a discovery by Belle II, since decays inside GAZELLE would facilitate studies of the decay products. Depending on the placement of GAZELLE, searches for light long-lived particles produced in the forward direction or signals of a confining hidden force could also benefit from such a far detector. Our general findings could help guide the design of far detectors at future electron-positron colliders such as the ILC, FCC-ee or CEPC.

연구 동기 및 목표

• e+e− 충돌에서 생성된 장수 입자(LLPs)에 대한 제안된 원거리 검출기 GAZELLE의 발견 가능성을 평가하기 위해.
• 두꺼운 중성 뉴트리노(HNLs), 축상 입자(AXPs), 비탄성 어둠료 물질(iDM)과 같은 세 가지 벤치마크 신물리 모델에 대해 GAZELLE의 민감도를 벨레 II의 민감도와 비교하기 위해.
• 실제로 각도 커버리지와 크기 제약이 존재하는 상황에서도 원거리 검출기가 LLP 탐지 민감도를 크게 향상시킬 수 있는지 조사하기 위해.
• 원거리 검출기가 앞으로의 전방 LLP 생성 및 어둠료 영역을 봉인하는 것과 같은 추가 물리적 기회를 제공할 수 있는지 탐색하기 위해.
• 미래의 e+e− 충돌기인 ILC, FCC-ee, CEPC가 원거리 검출기 설계를 위한 지침을 얻기 위해 벨레 II 경험을 바탕으로 제안하기 위해.

제안 방법

• 다양한 각도 수용각과 반경 두께를 가진 세 가지 현실적인 GAZELLE 검출기 기하학적 구조를 제안하고, LLP 붕괴에서 발생하는 입자들에 대한 추적을 최적화하기 위해 설계하였다.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여 세 가지 벤치마크 모델에서의 LLP 생성 및 붕괴를 모델링하였다: 타우 붕괴에서 유래한 HNLs, B 메손 붕괴에서 유래한 ALPs, iDM 모델에서의 새로운 스칼라 입자.
• 두 개의 도전 입자로부터의 붕괴 점 및 질량을 재구성하기 위해 운동학적 재구성 기법을 적용하였으며, 중성 또는 보이지 않는 입자로 인한 미량 에너지를 고려했다.
• 시계열 및 방향 정보를 이용해 천체 입자 및 K0L 붕괴 배경을 효과적으로 제거하여 낮은 배경 수준을 달성하였다.
• GAZELLE의 신호 효율성과 배경 제거 능력을 벨레 II의 이격된 복사점 및 미량 에너지 서명과 비교하였다.
• 결과를 전방 LLP 생성 및 어둠료 영역을 봉인하는 모델들, 예를 들어 새로운 제트나 흐름 튜브 등으로 확장하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GAZELLE와 같은 원거리 검출기가 벨레 II에 비해 장수 입자 탐지 가능성을 크게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 GAZELLE에서 LLP 탐색의 주요 배경은 무엇이며, 시계열 및 각도 해상도를 통해 효과적으로 억제될 수 있는가?
• RQ3 GAZELLE의 제한된 각도 수용각이 다양한 LLP 모델에 대해 벨레 II 대비 민감도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 전방 생성 또는 어둠료 영역을 봉인하는 상황(예: 새로운 제트, 흐름 튜브 등)에서는 원거리 검출기가 상당한 민감도 우위를 확보할 수 있는가?
• RQ5 벨레 II 경험을 바탕으로 향후 ILC, FCC-ee, 또는 CEPC와 같은 e+e− 충돌기에서 원거리 검출기 설계를 위한 지침은 무엇인가?

주요 결과

• 개선된 복사점 재구성과 배경 억제에도 불구하고, GAZELLE는 연구한 세 가지 벤치마크 모델에 대해 벨레 II에 비해 근본적인 민감도 향상은 보이지 않으며, 주로 각도 수용각의 제약 때문이 다.
• 주요 제약은 GAZELLE의 실질적인 각도 수용각으로, 이는 민감도 영역을 제한하고 벨레 II와 비교했을 때 최대한 유사한 탐지 가능성을 가짐을 의미한다.
• 천체 입자 및 중성 카이온 붕괴 배경은 시계열 및 방향 정보를 통해 낮은 수준으로 억제될 수 있으나, 이는 수용각 제약을 상쇄하지 못한다.
• 벨레 II가 LLP를 발견할 경우 원거리 검출기가 매우 유용해지며, 이 경우 GAZELLE는 복잡한 최종 상태의 붕괴 점 및 운동량 연구를 가능하게 한다.
• 전방 LLP 생성 또는 어둠료 영역을 봉인하는 상황(예: 새로운 제트, 흐름 튜브 등)에서는 GAZELLE가 큰 탐지 면적 덕분에 상당한 민감도 향상을 보일 수 있다.
• 주요 토목 공사가 가능하다면, GAZELLE의 각도 수용각을 크게 확장함으로써 벨레 II 대비 장수 입자 탐지 민감도를 최대 두 배수까지 향상시킬 수 있다.