[論文レビュー] DASEL: Dark Sector Experiments at LCLS-II

T. Raubenheimer, Anthony Beukers+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2018

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 14被引用数 8

ひとこと要約

DASELは、SLACのLCLS-II施設にパラサイト的ビームラインを提案し、低電流で数GeVの電子ビームを提供することで、ダークセクター粒子物理学実験を可能にする。超伝導RFリニアックをX線自由電子レーザー用に設計したものを再利用することで、ピコアンプからマイクロアンプの電流を用いて、軽いダークマターおよび他の弱い相互作用を示す粒子の感度の高い探索が可能になる。

ABSTRACT

This paper describes the concept for the DArk Sector Experiments at LCLS-II (DASEL) facility which provides a near-CW beam of multi-GeV electrons to the SLAC End Station A for experiments in particle physics. The low-current multi-GeV electron beam is produced parasitically by the superconducting RF linac for the LCLS-II X-ray Free Electron Laser, which is under construction at SLAC. DASEL is designed to host experiments to detect light dark matter such as the Light Dark Matter eXperiment (LDMX) but can be configured to support a wide range of other experiments requiring current ranging from pico-amps to micro-amps.

研究の動機と目的

• SLACのLCLS-IIにおいて、高エネルギー電子ビームを用いたダークセクターの探査を目的とした専用実験施設の開発。
• Light Dark Matter eXperiment (LDMX) が標的にするような軽いダークマター候補の感度の高い検出を可能にすること。
• 低電流で高エネルギーの電子ビームを必要とする多様な素粒子物理学実験を支援できる柔軟なビームラインの提供。
• 既存のLCLS-II超伝導RFリニアックインfraストラクチャをパラサイトモードで活用し、新設建設を最小限に抑え、リソースの効率を最大化すること。
• ピコアンプからマイクロアンプのビーム電流を必要とする実験を支援し、現在のダークマター検出技術の範囲を拡張すること。

提案手法

• X線FEL運転中に、LCLS-IIの超伝導RFリニアックから低電流で多GeVの電子ビームをパラサイト的に抽出する。
• 抽出したビームをSLACのエンドステーションAに誘導し、専用の実験装置を設置可能とする。
• ビームのほぼ連続波（near-CW）性を活かし、高精度で長時間にわたる測定を可能にする。
• ビーム輸送中に発散度の増大を最小限に抑えるために、ビームライン部品をビーム品質の維持を考慮して設計する。
• ピコアンプからマイクロアンプの範囲で安定した運用を確保するため、ビーム診断および制御システムを実装する。
• LDMXを超える多様なダークセクター実験をサポートできるモジュラーな実験構成を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LCLS-IIに設置されたパラサイト的ビームラインは、ダークセクター実験に適した安定的で低電流、多GeVの電子ビームを供給できるか？
• RQ2 この構成を用いたダークマター検出において、得られる最大のビーム電流とエネルギー分解能はどの程度か？
• RQ3 LCLS-IIインfraストラクチャは、ピコアンプからマイクロアンプのビーム電流を必要とする実験をどの程度効果的にサポートできるか？
• RQ4 X線FELリニアックを素粒子物理学実験に再利用するにあたり、技術的および運用上の制約は何か？
• RQ5 このビームラインは、軽いダークマター検出を超えて、多様なダークセクター実験をどの程度までサポートできるか？

主な発見

• DASELのコンセプトは、LCLS-IIの超伝導RFリニアックを低電流で多GeVの電子ビーム源としてパラサイト的に利用する可能性を明確に示した。
• ビームラインはピコアンプからマイクロアンプの範囲の電流を供給可能であり、感度の高いダークマター探索に適している。
• ビームのnear-CW運転により、長時間の積算が可能となり、ダークマター生成のようなレアプロセスへの感度が向上する。
• LDMXを超える実験、例えば隠れたセクターおよび軽いゲージボソンの探査を含む、幅広い実験を支援できる。
• パラサイト運転モードにより、インfraストラクチャコストを最小限に抑え、SLACに既存の加速器システムを有効に活用できる。
• ビームライン設計により、素粒子物理学における高精度測定に必要な十分なビーム品質と安定性が確保される。