[논문 리뷰] Search for dark photon, axion-like particles, dark scalar, or light dark matter in Compton-like processes

Sankha Subhra Chakrabarty, I. Jaeglé|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 14.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 1인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 고정 표적 실험에서 다크 포톤, 아키온-유사 입자, 다크 스칼라, 그리고 경량 다크 물질을 탐색하기 위해 Compton 유사 과정(γ + e⁻ → 다크 입자 + e⁻)을 사용하는 것을 제안한다. 태깅된 광자 비드 실험(GlueX, LEPS2)이 전자 비드 실험과 경쟁 가능하며, 특히 투명한 다크 물질의 경우 더욱 그렇고, 비드 덤프 실험은 더 높은 광자 유량으로 인해 감도를 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

We propose a novel way to search for the dark photon ($A'$), the axion-like pseudo-scalar ($a$), the dark scalar ($ϕ$), and the light dark matter ($χ$) in the Compton-like processes, $γ+ e^- ightarrow A'/a/ϕ+ e^-$ with $A'/a/ϕ$ decaying into leptons, photons, or $χ$'s (when permitted) for the mass ranges of $m_{A'/a/ϕ} \leq$ 100 MeV/$c^2$ and $m_χ \leq $ 50 MeV/$c^2$. We examine how the past, current, and future fixed target experiments can use this under-explored production mechanism of dark particles. We show that the existing and planned tagged photon beam fixed-target experiments (GlueX, LEPS2, LEPS, and FOREST) are competitive with the electron beam fixed target experiments, particularly for searching an invisible particle. We also show that the photon flux produced in the beam dump experiments increases the dark particle flux significantly and therefore the sensitivities of these experiments. By only considering the Compton-like processes, we determine the new limits and expected sensitivities for several beam dump and active beam dump experiments (E774, E141, KEK, Orsay, E137, NA64, BDX and LDMX) on the kinetic mixing parameter ($ε$) between the dark photon and the Standard Model photon, the axion-like pseudo-scalar coupling to electrons ($g_{ae}$), the dark scalar coupling to electrons ($y_e$) and the dimensionless interaction strength ($y$) to light dark matter.

연구 동기 및 목표

• 다크 섹터 입자 생성의 새로운 기구로 미사용된 Compton 유사 과정(γ + e⁻ → A′/a/ϕ + e⁻)을 탐색하기 위해.
• 특히 태깅된 광자 비드 및 비드 덤프 실험을 포함한 기존 및 향후 고정 표적 실험의 감도를 평가하여 다크 포톤, 아키온-유사 입자, 다크 스칼라, 경량 다크 물질을 탐지하는 데에.
• 광자 비드 및 전자 비드 고정 표적 실험 간의 성능 비교를 통해 운동 혼합, ALP-전자 결합, 다크 물질 상호작용 강도를 탐색하는 데에.
• 비드 덤프 구성이 더 높은 광자 유량으로 인해 다크 입자 유량을 증가시키고 감도를 향상시키는 방식으로 감도 향상 정도를 정량화하기 위해.

제안 방법

• 다크 입자(A′, a, ϕ, 또는 χ)가 다크 게이지 보손, 페시스칼라, 또는 스칼라의 가상 교환을 통해 생성되는 Compton 유사 과정 γ + e⁻ → A′/a/ϕ + e⁻를 분석한다.
• 운동 혼합 상호작용 항 ΔH = ∫d³x εe ψ̄ₑγᵘψₑA′ᵤ를 사용하여 다크 포톤 생성의 미분 단면적을 유도하며, 총 단면적은 σ ≈ (4πα²ε²/s) ln[(1−xₘ²)/xₘ]로 근사한다. 여기서 xₘ = mₑ/√s.
• 아키온-유사 입자 및 다크 스칼라의 경우 상호작용 항은 각각 ΔH = ∫d³x gₐₑ ψ̄ₑγ₅ψₑa 및 ΔH = ∫d³x yₑ ψ̄ₑψₑϕ이며, 효율적 장 이론에서 유도된 단면적을 사용한다.
• 기존 실험(E.g., NA64, BDX, LDMX) 및 비드 덤프 실험(E774, E141, KEK, Orsay)의 이벤트 수식을 사용하여 감도를 계산하며, 검출기 효율성 및 에너지 임계값을 포함한다.
• 수동 비드 덤프(에너지 침식 측정) 및 능동 비드 덤프(반동 운동량 측정)를 포함한 분석을 수행하며, 이벤트 수는 Marsicano 등(2018)의 Nᴬ′ˢ = εₛ∫ᴺᴬ′(E)dE에서 유도한다.
• Compton 유사(C-반응) 및 브레머스트랄링 유사(B-반응) 과정 간의 한계 및 향후 감도를 비교하여, 두 과정을 조합하면 운동 혼합(ε), ALP-전자 결합(gₐₑ), 다크 물질 상호작용 강도(y)의 매개변수 공간에서 감도를 더 높이고 낮은 결합 값까지 확장할 수 있음을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준 브레머스트랄링 기반 탐색과 비교하여, Compton 유사 과정(γ + e⁻ → A′/a/ϕ + e⁻)이 다크 포톤, 아키온-유사 입자, 다크 스칼라, 경량 다크 물질 탐지에 대해 경쟁 가능한 감도를 제공할 수 있는가?
• RQ2 태깅된 광자 비드 실험(GlueX, LEPS2, FOREST)은 전자 비드 고정 표적 실험과 비교하여 투명한 다크 입자 생성을 탐색하는 데에 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ3 비드 덤프 및 능동 비드 덤프 실험은 더 높은 광자 유량과 낮은 질량의 다크 입자 탐지 향상으로 인해 감도를 얼마나 향상시키는가?
• RQ4 Compton 유사 및 브레머스트랄링 유사 과정의 조합은 운동 혼합(ε), ALP-전자 결합(gₐₑ), 다크 물질 상호작용 강도(y)의 매개변수 공간에서 전체 감도를 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 원형 편광 광자 비드 및 횡방향 편광 표적을 통해 双편광 관측량 E를 측정할 수 있으며, 스칼라, 페시스칼라, 벡터 다크 입자 간의 스핀 의존적 각도 상관관계를 기반으로 분류가 가능한가?

주요 결과

• GlueX, LEPS2, FOREST와 같은 태깅된 광자 비드 고정 표적 실험은 특히 질량 ≤50 MeV/c²인 다크 입자에 대해 투명한 다크 물질 탐색에서 전자 비드 실험과 경쟁 가능하다.
• 다크 포톤 질량이 10 MeV/c²를 초과할 경우 Compton 유사 단면적은 브레머스트랄링 단면적보다 약 10배 작지만, 두 과정을 조합하면 더 높은 질량 및 낮은 운동 혼합 값(ε)에 대한 감도를 확장할 수 있다.
• 비드 덤프 실험(E774, E141, KEK, Orsay)은 더 높은 광자 유량 덕분에 다크 입자 유량이 크게 증가하고, 결과적으로 감도가 향상된다.
• 능동 비드 덤프 실험(예: NA64, LDMX)은 단 한 달 간의 비드 시간과 수소 표적으로 약 10⁻¹⁶ 수준의 무차원 다크 물질 상호작용 강도 y에 대한 감도를 확보할 수 있다. 이는 질량 <35 MeV/c²인 다크 물질에 대해 성립한다.
• 태깅된 광자 비드 실험의 기대 감도는 보기에 열린 채널에서 Be 비정상 현상(16.7 MeV e⁺e⁻ 초과)을 스캔할 수 있으며, 적절히 튜닝된 경우 투명한 경우에도 경쟁 가능하다.
• 편광 광자 및 표적 비드를 사용하면 이중 편광 관측량 E를 측정할 수 있으며, 스핀 의존적 각도 상관관계를 기반으로 스칼라, 페시스칼라, 벡터 다크 입자를 구별할 수 있다.