[논문 리뷰] Proposal for an Experiment to Search for Light Dark Matter at the SPS

Sarah Andreas, S.V. Donskov외 17명|arXiv (Cornell University)|2013. 12. 11.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 53인용 수 38

한 줄 요약

이 논문은 CERN의 SPS에서 10–300 GeV 전자 빔을 사용하여 빛 어둠의 광자($A^{\backprime}$)의 이전자기 붕괴 $A^{\backprime} \to e^+e^-$를 통해 빛 어둠의 광자를 탐색하기 위한 빛이 벽을 통과하는 실험을 제안한다. 실험은 $\epsilon \sim 10^{-5}$–$10^{-3}$ 및 $M_{A^{\backprime}} \lesssim 100$ MeV 범위에서 탐색되지 않은 매개변수 공간을 커버하며, $A^{\backprime}$ 생성 단면적과 광자 생성 단면적 비율에서 감도가 $\lesssim 10^{-13}$ 수준이 되도록 목표로 한다.

ABSTRACT

Several models of dark matter suggest the existence of dark sectors consisting of SU(3)_C x SU(2)_L x U(1)_Y singlet fields. These sectors of particles do not interact with the ordinary matter directly but could couple to it via gravity. In addition to gravity, there might be another very weak interaction between the ordinary and dark matter mediated by U'(1) gauge bosons A' (dark photons) mixing with our photons. In a class of models the corresponding dark gauge bosons could be light and have the $γ$-A' coupling strength laying in the experimentally accessible and theoretically interesting region. If such A' mediators exist, their di-electron decays A' -> e+e- could be searched for in a light-shining-through-a-wall experiment looking for an excess of events with the two-shower signature generated by a single high energy electron in the detector. A proposal to perform such an experiment aiming to probe the still unexplored area of the mixing strength 10^-5 < $ε$ < 10^-3 and masses M_A' < 100 MeV by using 10-300 GeV electron beams from the CERN SPS is presented. The experiment can provide complementary coverage of the parameter space, which is intended to be probed by other searches. It has also a capability for a sensitive search for A's decaying invisibly to dark-sector particles, such as dark matter, which could cover a significant part of the still allowed parameter space. The full running time of the proposed measurements is requested to be up to several months, and it could be taken at different SPS secondary beams.

연구 동기 및 목표

• 혼합 강도 $\epsilon \sim 10^{-5}$–$10^{-3}$ 이며 질량 $M_{A^\prime} \lesssim 100$ MeV인 빛 어둠의 광자($A^\prime$)의 탐색되지 않은 매개변수 공간을 탐색하기 위해.
• 고정밀 전자기 캘로리미터 시스템에서 이중 쇼어 신호를 통해 $A^\prime \to e^+e^-$ 붕괴를 탐색하기 위해.
• 어둠의 세ctors 입자로의 은폐된 $A^\prime$ 붕괴에 대한 감도를 확보하여 나머지 허용된 매개변수 공간의 상당 부분을 커버하기 위해.
• APEX 및 DarkLight와 같은 기존 실험들을 보완하여 $A^\prime$ 매개변수 공간의 다른 영역을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 10에서 300 GeV 사이의 에너지를 가진 CERN SPS의 보조 전자 빔을 사용하여 핵에 의한 $e^-Z \to e^-ZA^\prime$ 산란 반응을 통해 $A^\prime$를 생성하기 위해.
• 보호벽 뒤에 위치한 소형이자 고반구형도의 스코린티레이터- tungsten 전자기 캘로리미터(이하 ECAL2)를 사용하여 이중 전자 쇼어 신호를 탐지하기 위해.
• 저에너지 전자와 낙관 입자를 억제하기 위해 동기복사 방출 탐지 기반의 고효율 비트 카운터 및 빔 태깅 시스템을 구현하기 위해.
• 빔 입자 재구성 및 도착 전자 태깅을 위해 스코린티레이터 섬유 트래커와 와이어 챔버를 사용하기 위해.
• ECAL1 및 ECAL2의 쇼어 프로파일에 대한 운동학적 및 위상 분석을 통해 배경과 $A^\prime$ 붕괴 신호를 구별하기 위해.
• Phase I(2015)에서는 빔 배경을 기반으로 검출기 구성 요소를 최적화하고, Phase II(2015–2016)에서는 잠재적 업그레이드를 통해 목표 감도에 도달하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SPS에서 10–300 GeV 전자 빔을 사용한 빛이 벽을 통과하는 실험은 $A^\prime \to e^+e^-$ 붕괴를 탐지할 수 있는가?
• RQ2 감도가 $\epsilon \sim 10^{-5}$–$10^{-3}$ 및 $M_{A^\prime} \lesssim 100$ MeV 범위에서 $A^\prime$ 생성 및 붕괴에 대해 어느 정도 달성 가능한가?
• RQ3 어둠의 물질로의 빛 어둠의 광자 붕괴에 대한 감도는 분해율이 $10^{-11}$–$10^{-12}$ 이하일 때에도 확보될 수 있는가?
• RQ4 빔 관련 배경(낙관, 뮤온, 저에너지 전자)은 태깅 및 비트 시스템을 통해 얼마나 효과적으로 억제될 수 있는가?
• RQ5 배경 오염을 최소화하면서 감도를 극대화하기 위한 최적의 검출기 구성 및 빔 파rameter는 무엇인가?

주요 결과

• 실험은 $A^\prime \to e^+e^-$ 붕괴 모드에서 $\sigma(e^-Z \to e^-ZA^\prime)/\sigma(e^-Z \to e^-Z\gamma)$ 비율에 대해 감도 $\lesssim 10^{-13}$을 확보할 수 있다.
• 동일한 비율에서 은폐된 $A^\prime$ 붕괴에 대해서는 감도 $\lesssim 10^{-12}$를 확보할 수 있으며, 여전히 허용된 매개변수 공간의 상당 부분을 커버한다.
• 저에너지 전자의 내재된 배경은 동기복사 태깅 시스템을 통해 억제할 수 있다.
• Phase I(2015)는 빔 배경을 최적화하고 주로 낙관 및 뮤온 오염에 의한 주요 배경을 측정하기 위해 설계되어 있다.
• Phase II(2015–2016)는 충분한 강도를 가진 보조 SPS 빔 라인을 사용하여 목표 감도에 도달하는 것을 목표로 한다.
• 관측된 신호 과잉은 표준모형을 초월한 새로운 물리학을 명확히 시사한다.