[논문 리뷰] Proposal to Search for Heavy Neutral Leptons at the SPS

W. Bonivento, Alexey Boyarsky외 14명|arXiv (Cornell University)|2013. 10. 07.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 13인용 수 65

한 줄 요약

이 논문은 CERN의 SPS 가속기에서 고정 표적 실험을 통해 쿼크 메손의 붕괴를 통해 무거운 중성 렙톤(HNLs)을 탐색하는 것을 제안한다. 자석 스펙트로미터, 칼로리미터 및 뮥on 시스템을 갖춘 검출기로 HNL 붕괴를 재구성하고 질량을 측정한다. 이 실험은 2 GeV 이하의 질량을 가진 HNL에 대해 이전 실험들보다 4개의 지수 차수만큼 감도를 향상시키며, 이는 이전에 접근할 수 없었던 우주론적으로 유리한 매개변수 공간의 주요 부분을 커버한다.

ABSTRACT

A new fixed-target experiment at the CERN SPS accelerator is proposed that will use decays of charm mesons to search for Heavy Neutral Leptons (HNLs), which are right-handed partners of the Standard Model neutrinos. The existence of such particles is strongly motivated by theory, as they can simultaneously explain the baryon asymmetry of the Universe, account for the pattern of neutrino masses and oscillations and provide a Dark Matter candidate. Cosmological constraints on the properties of HNLs now indicate that the majority of the interesting parameter space for such particles was beyond the reach of the previous searches at the PS191, BEBC, CHARM, CCFR and NuTeV experiments. For HNLs with mass below 2 GeV, the proposed experiment will improve on the sensitivity of previous searches by four orders of magnitude and will cover a major fraction of the parameter space favoured by theoretical models. The experiment requires a 400 GeV proton beam from the SPS with a total of 2x10^20 protons on target, achievable within five years of data taking. The proposed detector will reconstruct exclusive HNL decays and measure the HNL mass. The apparatus is based on existing technologies and consists of a target, a hadron absorber, a muon shield, a decay volume and two magnetic spectrometers, each of which has a 0.5 Tm magnet, a calorimeter and a muon detector. The detector has a total length of about 100 m with a 5 m diameter. The complete experimental set-up could be accommodated in CERN's North Area. The discovery of a HNL would have a great impact on our understanding of nature and open a new area for future research.

연구 동기 및 목표

• 표준모형 중성미온의 오른손자일 무거운 중성 렙톤(HNLs)을 이전에 탐색되지 않은 매개변수 공간에서 탐색하기 위해.
• 표준모형의 핵심적 한계를 해결하기 위해, 중성미온 질량 기원, 우주의 양성자 비대칭성, 암흑물질을 포함한다.
• 이전 고정 표적 실험(예: CHARM 및 NuTeV)에 비해 HNL에 대한 실험 감도를 4개의 지수 차수만큼 향상시키기 위해.
• 특히 2 GeV 이하의 HNL 질량과 $U^2_\mu$ 값이 $10^{-7}$에서 $10^{-9}$ 사이인 경우에 우주론적으로 유리한 HNL 매개변수 공간을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 5년 동안 총 $2 \times 10^{20}$ 개의 프로톤을 표적으로 사용하는 400 GeV의 프로톤 비임을 SPS 가속기에서 확보하여 쿼크 메손을 생성한다.
• 표적, 하드론 흡수체, 뮥온 차폐체, 붕괴 공간, 그리고 각각 0.5 Tm 자석을 갖춘 두 개의 자석 스펙트로미터, 칼로리미터 및 뮤온 검출기를 포함한 검출기 시스템을 사용한다.
• 입자 식별 및 운동량 재구성 기법을 통해 배제적 HNL 붕괴를 재구성하고 HNL 질량을 측정한다.
• 기존의 검출기 기술을 활용하여 연구개발(R&D) 필요성을 최소화하고, 몇 년 내에 중간 규모의 협업으로 구축이 가능하도록 한다.
• 기존의 400 GeV pCu 데이터를 기반으로 한 시뮬레이션과 칼로리미터의 $p_T$ 분포를 이용해 쿼크 메손 붕괴에서 발생하는 중성미온 조사를 측정한다.
• CERN 기계 전문가들과 협력하여 비임선 및 방사선 설계를 구현하여 실현 가능성과 안전성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SPS 가속기에서 고정 표적 실험은 이전 실험(예: CHARM 및 NuTeV)에 비해 HNL에 대해 4개의 지수 차수만큼 감도를 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 2 GeV 이하의 질량과 $U^2_\mu \sim 10^{-7}$에서 $10^{-9}$ 사이의 값인 HNL에 대해, SPS에 새로운 검출기를 설치함으로써 우주론적으로 유리한 매개변수 공간에 접근할 수 있는가?
• RQ3 배제적 붕괴 채널에서 입자 식별 및 불변 질량 재구성 기법을 통해 HNL 신호를 배경과 구분할 수 있는가?
• RQ4 제안된 SPS 실험의 기대 감도는 향후 LHC 기반 탐색 또는 FNAL 및 KEK와 같은 다른 고정 표적 시설에 비해 어떻게 되는가?
• RQ5 기존 기술에 기반한 검출기 설계는 몇 년 내에 실현 가능하며, 요구되는 비임 및 방사선 조건을 수용할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 실험은 2 GeV 이하의 질량을 가진 HNL에 대해 이전 탐색에 비해 4개의 지수 차수만큼 감도 향상을 달성한다.
• 이 실험은 이론 모델에서 유리하게 여겨지는 HNL 매개변수 공간의 주요 부분을 커버하며, 특히 $U^2_\mu \sim 10^{-7}$에서 $10^{-9}$ 범위에서 그렇다.
• 이 실험은 이전에 PS191, BEBC, CHARM, CCFR 및 NuTeV가 접근하지 못했던, 우주론적으로 관련성이 있는 HNL 매개변수 공간 영역을 탐색할 것으로 예상된다.
• 2 GeV 이하의 HNL에 대해 $2 \times 10^{20}$ 개의 프로톤을 표적으로 사용할 경우, 발견에 충분한 HNL 조사가 예상되며, 이는 5년간의 데이터 수집으로 달성 가능하다.
• 기존 기술과 모듈식 스펙트로미터를 기반으로 한 검출기 설계는 실현 가능하며, 심각한 연구개발 단계가 필요하지 않다.
• LHC 기반 탐색에 비해 SPS 실험은 훨씬 높은 감도를 제공한다. 이는 생산 단면적과 기하학적 조건이 열악하기 때문에 예상되는 사건 수율이 약 1/200에 불과하기 때문이다.