[논문 리뷰] Probing hidden sectors with a muon beam: Implication of spin-0 dark matter mediators for the muon (g-2) anomaly and the validity of the Weiszäcker-Williams approach

H. Sieber, D. Kirpichnikov외 7명|arXiv (Cornell University)|2023. 05. 15.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 고정형 목표 실험에서 뮤온의 브레멘스트라ahlung을 통해 생성되는 뮤온과 결합하는 스칼라 및 페시오스칼라인 스핀-0 암흑물질 매개체를 연구한다. Weiszäcker-Williams 근사법을 사용하여 이러한 과정에 대한 정확한 미분 단면적을 유도하였으며, 정확한 1차 수준 계산과 5% 이내로 일치함을 보였다. 이 형식을 NA64μ 실험에 적용하여 뮤온 (g−2) 이상 현상 영역과 잔류 암흑물질 매개변수 공간을 탐색할 수 있음을 입증하였다. 실험은 타겟에 10^11~10^13개의 뮤온을 사용한다.

ABSTRACT

In addition to vector ($V$) type new particles extensively discussed previously, both CP-even ($S$) and CP-odd ($P$) spin-0 Dark Matter (DM) mediators can couple to muons and be produced in the bremsstrahlung reaction $μ^- + N ightarrow μ^- + N + S(P)$. Their possible subsequent invisible decay into a pair of Dirac DM particles, $S(P) o χ\overlineχ$, can be detected in fixed target experiments through missing energy signature. In this paper, we focus on the case of experiments using high-energy muon beams. For this reason, we derive the differential cross-sections involved using the phase space Weiszäcker-Williams approximation and compare them to the exact-tree-level calculations. The formalism derived can be applied in various experiments that could observe muon-spin-0 DM interactions. This can happen in present and future proton beam-dump experiments such as NA62, SHIP, HIKE, and SHADOWS; in muon fixed target experiments as NA64$μ$, MUoNE and M3; in neutrino experiments using powerful proton beams such as DUNE. In particular, we focus on the NA64$μ$ experiment case, which uses a 160 GeV muon beam at the CERN Super Proton Synchrotron accelerator. We compute the derived cross-sections, the resulting signal yields and we discuss the experiment projected sensitivity to probe the relic DM parameter space and the $(g-2)_μ$ anomaly favoured region considering $10^{12}$ and $10^{13}$ muons on target.

연구 동기 및 목표

• 고에너지 뮤온 고정형 목표 실험에서 스핀-0 암흑물질 매개체(스칼라 및 페시오스칼라)의 생성을 연구한다.
• 정확한 1차 수준 계산과 비교하여 스핀-0 매개체 생성에 대한 Weiszäcker-Williams 근사법의 정확도를 검증한다.
• 어둠의 섹터 탐색을 위한 더 나은 몬테카를로 시뮬레이션을 위해 미분 단면적을 분석적으로 유도한다.
• NA64μ 실험의 뮤온 (g−2) 이상 현상 영역과 잔류 암흑물질 매개변수 공간에 대한 감도를 예측한다.
• 이 형식을 NA62, SHIP, DUNE, M3 등의 다른 실험으로 확장한다.

제안 방법

• We이즈아커-윌리엄스 근사법을 사용하여 μN → μN S(P)의 미분 단면적을 유도한다.
• Weiszäcker-Williams 결과를 정확한 1차 수준 계산과 비교하여 정확도를 평가한다.
• 어둠의 보존 방출의 몬테카를로 시뮬레이션 효율성을 향상시키기 위해 Weiszäcker-Williams 프레임워크 내에서 새로운 분석적 공식을 개발한다.
• CERN의 160 GeV 뮤온 비임을 사용하여 형식을 NA64μ 실험에 적용한다.
• 타겟에 10^11 및 10^13개의 뮤온을 사용할 경우의 신호 수확량과 예측 감도를 계산한다.
• 실제 이벤트 모델링을 위해 Geant4 기반의 암흑물질 시뮬레이션 패키지 DMG4에 결과를 구현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Weiszäcker-Williams 근사법은 뮤온 브레멘스트라ahlung에서 스핀-0 매개체 생성의 정확한 1차 수준 단면적을 얼마나 정확하게 재현하는가?
• RQ2 스핀-0 매개체를 사용할 때 NA64μ 실험은 (g−2)μ 이상 현상 영역에 대해 어떤 감도를 갖는가?
• RQ3 유도된 분석적 미분 단면적 공식은 어둠의 섹터 탐색을 위한 몬테카를로 시뮬레이션의 효율성과 정확도를 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 타겟에 10^11 및 10^13개의 뮤온을 사용할 경우, 스칼라 및 페시오스칼라 매개체의 뮤온 비임-덤프 실험에서의 예상 신호 수확량은 얼마인가?
• RQ5 결과는 NA62, SHIP, DUNE, M3 등의 다른 고정형 목표 실험에 어떻게 적용되는가?

주요 결과

• Weiszäcker-Williams 근사법은 스핀-0 매개체 생성의 정확한 1차 수준 단면적을 ≲5% 이내의 정확도로 재현한다.
• 새로운 분석적 미분 단면적 공식은 어둠의 보존 방출의 더 빠르고 정확한 몬테카를로 시뮬레이션을 가능하게 한다.
• 타겟에 10^11개의 뮤온을 사용할 경우, NA64μ는 스칼라 매개체 시나리오에서 (g−2)μ 이상 현상 영역을 탐색할 수 있다.
• 타겟에 10^13개의 뮤온을 사용할 경우, NA64μ는 스핀-0 매개체에 대해 열역학적 잔류 암흑물질 매개변수 공간에 감도를 갖는다.
• 이 형식은 현재 및 향후 실험인 NA64μ, NA62, SHIP, HIKE, SHADOWS, DUNE, M3 등에 직접 적용 가능하다.
• 이 연구는 뮤온 비임이 스핀-0 암흑물질 매개체를 포함하는 약하게 결합된 숨겨진 섹터를 탐지하는 데 실현 가능함을 확인한다.