[논문 리뷰] Search for Light Dark Matter with NA64 at CERN

Yu. M. Andreev, D. Banerjee외 61명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 05.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 CERN의 SPS에서 전자-프로톤 충돌을 통해 0.35 GeV 이하의 질량을 가진 다크 포톤(A′) 매개체를 통한 1GeV 이하의 다크 물질에 대한 직접 탐색을 처음으로 제시한다. 9.37×10¹¹개의 타겟 전자로 실험한 결과, mA′ ≲ 0.35 GeV 범위에서 A′가 광자와의 결합에 대해 가장 민감한 제한을 설정하였으며, mχ ≲ 0.1 GeV 범위에서 χ−A′ 결합 강도 αD ≤ 0.1인 스칼라 및 메이저라 다크 물질을 배제하였다. 또한 3mχ ≤ mA′ 조건을 만족하는 질량 범위에서도 배제되었다.

ABSTRACT

Thermal dark matter models with particle $χ$ masses below the electroweak scale can provide an explanation for the observed relic dark matter density. This would imply the existence of a new feeble interaction between the dark and ordinary matter. We report on a new search for the sub-GeV $χ$ production through the interaction mediated by a new vector boson, called the dark photon $A'$, in collisions of 100 GeV electrons with the active target of the NA64 experiment at the CERN SPS. With $9.37 imes10^{11}$ electrons on target collected during 2016-2022 runs NA64 probes for the first time the well-motivated region of parameter space of benchmark thermal scalar and fermionic dark matter models. No evidence for dark matter production has been found. This allows us to set the most sensitive limits on the $A'$ couplings to photons for masses $m_{A'} \lesssim 0.35$ GeV, and to exclude scalar and Majorana dark matter with the $χ-A'$ coupling $α_D \leq 0.1$ for masses $0.001 \lesssim m_χ\lesssim 0.1$ GeV and $3m_χ\leq m_{A'}$.

연구 동기 및 목표

• 전자약 스케일 이하의 질량을 가진 열적 경량 다크 물질 모델의 매개변수 공간을 탐색하기 위해.
• 표준모형 광자와의 운동 에너지 혼합을 통해 다크 포톤(A′)의 보이지 않는 붕괴가 표준모형 광자와의 운동 에너지 혼합을 통해 발생하는지를 탐색하기 위해.
• 1GeV 이하의 질량 범위에서 A′가 광자와의 결합 강도 및 χ−A′ 상호작용 강도에 대한 개선된 제약 조건을 설정하기 위해.
• 열적 동결-아웃 메커니즘의 맥락에서 스칼라 및 페르미온성 다크 물질의 벤치마크 모델을 테스트하기 위해.
• 가속기 에너지 범위에서 어두운 및 가시 영역 간의 매개체로 다크 포톤 포털의 가능성을 탐색하기 위해.

제안 방법

• NA64 실험은 100 GeV 전자 빔이 액체 헬륨 타겟에 입사하는 고정 타겟 구성을 사용한다.
• 다크 포톤 생성은 표준모형 광자와의 운동 에너지 혼합을 통해 매개되며, 결합 강도는 ϵ이다.
• A′는 운동 에너지가 허용되는 경우, 즉 mχ < mA′/2일 때 다크 물질 입자 χ로 보이지 않는 붕괴를 한다.
• 실험은 최종 상태에서의 부족한 에너지 및 운동량을 측정하여 보이지 않는 A′ 붕괴를 식별한다.
• GEANT4를 사용한 몬테카를로 시뮬레이션은 검출기 반응 및 배경 과정을 모델링한다.
• 통계 분석은 신호 단면적에 대한 상한을 설정하기 위해 프로파일-우도 방법과 CLs 접근법을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NA64 실험은 전자-프로톤 충돌에서 경량 다크 물질(χ)으로의 보이지 않는 다크 포톤(A′) 붕괴를 탐지할 수 있는가?
• RQ2 1GeV 이하의 다크 포톤 질량 범위에서 A′가 광자와의 결합에 대해 가장 엄격한 제한은 무엇인가?
• RQ3 NA64 데이터는 χ−A′ 결합 강도 αD ≤ 0.1인 스칼라 및 메이저라 다크 물질 모델을 어느 정도 배제할 수 있는가?
• RQ4 실험 결과는 mχ ≲ 0.1 GeV 및 mA′ ≲ 0.35 GeV 조건을 만족하는 벤치마크 열적 다크 물질 모델을 얼마나 잘 제약하는가?
• RQ5 CERN SPS는 1GeV 이하 질량 범위에서 다크 포톤 포털에 대해 어느 정도 민감한가?

주요 결과

• NA64 실험은 다크 포톤 질량이 0.35 GeV 이하인 범위에서 A′가 광자와의 결합에 대해 현재까지 가장 민감한 제한을 설정하였다.
• 다크 물질 생성에 대한 증거는 관측되지 않았으며, 이로 인해 mχ ≲ 0.1 GeV 범위에서 χ−A′ 결합 강도 αD ≤ 0.1인 스칼라 및 메이저라 다크 물질가 3mχ ≤ mA′ 조건을 만족하는 범위에서 배제되었다.
• 이 연구는 고정 타겟 전자 빔을 사용하여 열적 다크 물질 모델에서 잘 정당화된 매개변수 공간을 처음으로 탐색하였다.
• mA′ ≲ 0.35 GeV 범위에서 운동 에너지 혼합 매개변수 ϵ에 대한 제약 조건이 최대 한 계단 수준으로 향상되었다.
• 배제 제한은 다른 실험들과 경쟁 가능하며, 1GeV 이하의 다크 부문으로의 탐색 범위를 확장하였다.
• 분석 결과는 CERN SPS에서 NA64 실험의 경량 다크 물질 탐지 민감도가 다크 포톤 포털을 통해 확인되었다.