[논문 리뷰] SHADOWS (Search for Hidden And Dark Objects With the SPS)

W. Baldini, A. Balla외 21명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 15.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 18인용 수 12

한 줄 요약

SHADOWS는 CERN의 SPS에서 400 GeV 프로톤 비임을 이용해 MeV–GeV 질량 범위의 미약하게 상호작용하는 입자(FIPs)를 탐색하기 위한 빔 덤프 실험을 제안한다. 기존의 P42 빔 라인과 NA62 인프라를 활용하며, 기존에 탐색되지 않은 매개변수 공간을 조사하고, 현재의 제한보다 FIP 결합 상수에 대해 1–4개 오르기만큼 민감도를 향상시켜 암흑 물질 섹터 입자 또는 가벼운 매개입자를 발견할 가능성이 있다.

ABSTRACT

We propose a new beam-dump experiment, SHADOWS, to search for a large variety of feebly-interacting particles possibly produced in the interactions of a 400 GeV proton beam with a high-Z material dump. SHADOWS will use the 400 GeV primary proton beam extracted from the CERN SPS currently serving the NA62 experiment in the CERN North area and will take data off-axis when the P42 beam line is operated in beam-dump mode. SHADOWS can accumulate up to a ~2 x10^19 protons on target per year and expand the exploration for a large variety of FIPs well beyond the state-of-the-art in the mass range of MeV-GeV in a parameter space that is allowed by cosmological and astrophysical observations. So far the strongest bounds on the interaction strength of new feebly-interacting light particles with Standard Model particles exist up to the kaon mass; above this threshold the bounds weaken significantly. SHADOWS can do an important step into this still poorly explored territory and has the potential to discover them if they have a mass between the kaon and the beauty mass. If no signal is found, SHADOWS will push the limits on their couplings with SM particles between one and four orders of magnitude in the same mass range, depending on the model and scenario.

연구 동기 및 목표

• 기존 제약 조건이 약해지는 케이온 질량 이상의 MeV–GeV 질량 범위에서 미약하게 상호작용하는 입자(FIPs)의 매개변수 공간을 탐색하기 위해.
• 우주론적 및 입자물리학적 수수께끼를 설명할 수 있는 암흑물질 후보, 축축한 양자역학 입자(AXPs), 무거운 중성 렙톤, 그리고 가벼운 스칼라를 탐색하기 위해.
• CERN SPS의 고강도 400 GeV 프로톤 빔을 빔 덤프 모드로 활용하여 연간 최대 2×10^19개의 프로톤을 타겟에 도달시키기 위해.
• 1–5 GeV 범위에서 기존의 FIP 결합 상수 제한을 1–4개 오르기만큼 향상시켜 표준모형 입자와의 상호작용에 대해 민감도를 크게 향상시키기 위해.
• 기존 가속기 인프라와 검출기 기술을 활용해 FIP 탐색의 새로운 실험적 전면을 마련하기 위해.

제안 방법

• 현재 NA62에 사용 중인 CERN SPS의 P42 빔 라인을 빔 덤프 모드로 전환하여 고Z 타겟을 이용해 프로톤 상호작용으로 FIPs를 생성하기 위해.
• 스컬린세이팅 타일과 SiPM 리딩을 활용해 250–300 ps의 타임 해상도를 확보하고, 타일당 99.8% 이상의 탐지 효율을 달성하기 위한 사중격의 뮤온 시스템을 구축하기 위해.
• 자기장 뮤온 정렬 시스템과 검출기 기반 배경 감소 기술을 도입해 뮤온 유도 배경을 감소시키기 위해.
• 2차 입자를 흡수하고 쇼크 영역의 신호 순도를 향상시키기 위해 철 필터(~3.0λ_I 두께)를 사용하기 위해.
• 잔류 뮤온을 탐지하고 배경을 감소시키기 위해 고해상도 스컬린세이팅 타일을 활용한 상류 경고 시스템을 통합하기 위해.
• 트래킹, 타이밍, 전자기 및 하드론 캘로리미터, 그리고 분할된 뮤온 시스템을 포함한 다성분 검출기 설계를 통해 전체 사건 재구성 가능하게 하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SHADOWS는 케이온 질량과 베타 쿼크 질량 사이의 질량을 가진 새로운 미약하게 상호작용하는 입자(FIPs)를 탐지할 수 있는가? 여기서 기존 제약 조건은 약해진다.
• RQ2 SHADOWS는 MeV–GeV 범위에서 표준모형 입자와의 FIP 결합 강도에 대해 얼마나 향상된 민감도를 확보할 수 있는가?
• RQ3 빔 덤프 작동, 자기장 뮤온 정렬, 활성 경고 시스템의 조합이 뮤온 유도 배경을 얼마나 효과적으로 억제할 수 있는가?
• RQ4 SHADOWS는 축축한 양자역학 입자(AXPs), 가벼운 스칼라, 무거운 중성 렙톤과 같은 암흑 물질 섹터 입자에 대해 어떤 물리적 탐색 범위를 확보할 수 있는가?
• RQ5 SHADOWS는 FIP 생성 및 탐지로 강한 CP 문제, 중성미온 질량 생성, 양성비 비대칭성 문제를 다루는 모델을 탐색할 수 있는가?

주요 결과

• SHADOWS는 연간 최대 2×10^19개의 프로톤을 타겟에 도달시킬 수 있어 MeV–GeV 범위의 FIP 질량에서 고정밀 탐색이 가능하다.
• 실험은 모델과 시나리오에 따라 FIP와 표준모형 입자 간의 상호작용 결합 상수에 대해 기존 제한보다 1–4개 오르기만큼 민감도를 향상시킬 것으로 예상된다.
• INFN 프라카티 및 볼로냐에서의 프로토타입 테스트에서 SiPM 리딩을 사용한 스컬린세이팅 타일당 250–300 ps의 타임 해상도가 입증되었다.
• 스태그거드 체스와 유사한 레이아웃을 사용한 16개 또는 32개 타일 모듈을 활용한 뮤온 시스템은 최소한의 사각지대와 균형 잡힌 기계적 하중을 보장한다.
• 자기장 뮤온 정렬과 활성 경고 시스템의 조합을 통해 배경 억제가 이루어져 뮤온 유도 배경이 관리 가능한 수준으로 감소된다.
• 예비 일정은 장기 정지 3 기간 동안 설치를 목표로 하며, Run 4 초반에 피LOT 런을 실시하고, Run 5에는 5×10^19개의 프로톤을 타겟에 도달시키는 것을 목표로 한다.