[논문 리뷰] Searches for very weakly-coupled particles beyond the Standard Model with NA62

Babette Döbrich|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 24.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

NA62는 CERN에서 고강度의 SPS 양성자 빔과 완전한 감지기 시스템을 이용해 표준모형을 초월한 매우 약하게 결합하는 입자를 탐색한다. 케톤 붕괴와 전용 빔 덤프 모드를 활용하여 암흑 포톤, 양자역학적 입자, 무거운 중성 레프톤과 같은 MeV–GeV 스케일의 입자를 탐색하며, 이는 이전의 실험들인 CHARM와 NuCal을 뛰어넘는 민감도를 확보한다.

ABSTRACT

The NA62 experiment at CERN is designed to measure precisely the rare decay $K^{+} ightarrow π^+ ν\barν$. The intensity and energy of the SPS proton beam used to produce the $K^+$, as well as the hermetic detector coverage and overall geometry, give in addition the opportunity to search for hypothesized weakly-coupled particles at the MeV-GeV mass scale. In these proceedings the focus lies on reviewing these opportunities and sketching the current status of some pertinent searches.

연구 동기 및 목표

• 표준모형을 초월한 매우 약하게 결합하는 입자, 특히 암흑 포톤, 양자역학적 입자, 무거운 중성 레프톤을 MeV–GeV 스케일에서 탐색한다.
• NA62 빔라인 기하학과 높은 양성자 대 표적(POT) 비율을 활용하여 장수명, 약하게 상호작용하는 입자의 탐지 가능 범위를 확장한다.
• 정상 및 빔 덤프 데이터 수집 모드를 모두 활용하여 새로운 입자의 다양한 생성 메커니즘에 접근한다.
• 배경 제거 기술을 검증하고 2016–2017년 데이터를 활용한 최초의 분석을 수행하여 향후 고통계 런에 대비한다.
• 2021–2023년 동안 약 10^18 POT을 확보하기 위한 1년간의 연장된 빔 덤프 런 계획을 지원한다. 이는 새로운 물리 현상에 대한 민감도를 극대화하기 위함이다.

제안 방법

• 400 GeV의 양성자가_beryllium 표적에서 케톤과 파이온을 생성하는 NA62 빔라인을 사용하며, TAX 아크로메이트를 통해 75 GeV의 양성자 빔을 선택한다.
• 136 m 길이의 붕괴 공간을 완전한 헤르메틱 커버리지와 낮은 물질 비용 트래킹을 통해 약하게 결합하는 입자의 붕괴 생성물을 감지한다.
• 다중 트랙 이벤트, 특히 최소한 한 개 또는 두 개의 뮤온을 포함한 전용 트리거 체인을 적용하여 (진성)스칼라 입자 및 암흑 포톤의 붕괴를 포착한다.
• 콜리메이터를 잘못 정렬하여 전체 양성자 빔을 정지시키는 파라사이트식 빔 덤프 운영을 실시하여, 상류에서 새로운 입자의 최대 생산을 달성한다.
• 액체 크세논과 액체 크립톤 칼로미터를 사용하여 비가시 또는 반가시 붕괴에서 유도되는 전자기적 신호를 감지한다.
• 입자 식별, 타이밍, 기하학적 재구성 기법을 활용해 배경를 효과적으로 제거하여 새로운 물리 신호와 빔 홀로, 핵반응 붕괴를 구분한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NA62는 $K^+ \to \pi^+ \gamma A'$ 붕괴에서 $A' \to \gamma\gamma$ 또는 비가시 붕괴를 겪는 암흑 포톤을 감지할 수 있는가?
• RQ2 NA62는 $l = e, \mu$ 인 $K^+ \to l^+ N$ 붕괴에서의 무거운 중성 레프톤(N)에 대해 어떤 민감도를 가질 수 있는가?
• RQ3 빔 덤프 모드는 양성자 상호작용에서 생성된 장수명 축합된 양자역학적 입자에 대해 민감도를 어떻게 향상시키는가?
• RQ4 빔 덤프 모드에서의 다중 트랙 최종 상태에 대한 기대 배경는 무엇이며, 이를 효과적으로 억제할 수 있는가?
• RQ5 NA62 설정은 이전 실험들인 CHARM의 범위를 초월한 약하게 상호작용하는 입자들의 매개변수 공간을 어느 정도 탐색할 수 있는가?

주요 결과

• NA62는 2017년에 약 ~3×10^12개의 케톤 붕괴를 수집하였으며, 2016년 데이터의 5%에 대한 초도 분석 결과가 이미 공개되었다.
• 암흑 포톤과 무거운 중성 레프톤의 붕괴를 포착하기 위해 다중 뮤온 및 고에너지 전자기적 이벤트를 위한 전용 트리거 체인을 구축하였다.
• 빔 덤프 런은 약 ~10^16의 양성자 대 표적(POT) 통계를 확보하여, 약하게 상호작용하는 입자에 대한 경쟁 가능한 민감도를 확보하였다.
• D ≈ 80 m 및 L ≈ 136 m인 NA62 설정은 짧은 수명과 장수명 입자 모두에 대해 고유한 커버리지를 제공하며, 이는 이전의 CHARM 및 NuCal 실험의 한계를 초월한다.
• 2016년 데이터 분석 결과에서 $K^+ \to l^+ N$ 및 $K^+ \to \pi^+ \pi^0 \to \pi^+ \gamma A'$(비가시 $A'$ 붕괴 포함)에 대한 초도 민감도가 [4]에서 보고되었으며, 이는 해당 채널에 대한 첫 민감도 확보를 의미한다.
• 2021–2023년 동안 약 1년간의 연장된 빔 덤프 런 계획이 있으며, 이로써 약 ~10^18 POT를 확보할 예정으로, 새로운 물리 현상에 대한 탐지 가능성을 크게 향상시킬 것이다.