[论文解读] Letter of Intent: Search for sub-millicharged particles at J-PARC

S. Choi, Jeong Hwa Kim+10 more|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 13被引用 8

一句话总结

该论文提出SUBMET实验，这是在J-PARC开展的一项新实验，旨在通过在距离靶标280米处使用闪烁体棒探测器（配备光电倍增管）探测30 GeV质子固定靶碰撞中产生的亚毫电荷粒子（χ），以搜索亚毫电荷粒子。在10²²质子-靶撞击下，该实验对质量小于0.2 GeV/c²的粒子可实现低至3×10⁻⁴e的电荷灵敏度，显著扩展了当前在这一未充分探索参数空间中的约束范围。

ABSTRACT

We propose a new experiment sensitive to the detection of millicharged particles produced at the $30$ GeV proton fixed-target collisions at J-PARC. The potential site for the experiment is B2 of the Neutrino Monitor building, $280$ m away from the target. With $ extrm{N}_ extrm{POT}=10^{22}$, the experiment can provide sensitivity to particles with electric charge $3 imes10^{-4}\,e$ for mass less than $0.2$ $ extrm{GeV}/ extrm{c}^2$ and $1.5 imes10^{-3}\,e$ for mass less than $1.6$ $ extrm{GeV}/ extrm{c}^2$. This brings a substantial extension to the current constraints on the charge and the mass of such particles.

研究动机与目标

• 探索电荷低于10⁻³e、质量低于1.6 GeV/c²的毫电荷粒子尚未被探索的参数空间。
• 扩展当前对亚毫电荷粒子的实验约束，特别是在0.1–1.6 GeV/c²的质量范围内。
• 利用现有的J-PARC基础设施，开发对低电荷、弱相互作用粒子敏感的探测器配置。
• 评估通过高光电子产额的闪烁体棒中电离信号探测毫电荷粒子的可行性。

提出的方法

• 实验使用30 GeV质子束轰击J-PARC的石墨靶，产生介子（π⁰, η, J/ψ），其通过χ̄χ或γχ̄χ末态衰变为毫电荷粒子（χ）。
• 毫电荷粒子在距离靶标280米处被探测，此时它们已穿过束流停止器、μ子监测器和沙层屏蔽，能量损失极小。
• 采用一端配备光电倍增管（PMTs）的分段式闪烁体棒探测器，测量电离信号；信号检测依赖于多个层中同时通过的事件。
• 利用GEANT4模拟优化探测器构型，以最大化光电子产额（NPE），并最小化随机符合与关联噪声带来的背景。
• 通过信背比评估灵敏度，关键参数包括NPE、层数（n）和背景产额（b），使用公式P = (1 - e^(-NPE))^n。
• 基线探测器采用4层80 cm长的BC-408塑料闪烁体，也可采用更长的棒或BGO晶体作为替代构型，以提高NPE并增强灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 J-PARC的质子固定靶实验能否在质量低于1.6 GeV/c²的范围内，实现对电荷低于10⁻³e的毫电荷粒子的探测灵敏度？
• RQ2 何种探测器构型可在最小化随机符合与关联噪声背景的同时，最大化对亚毫电荷粒子的探测灵敏度？
• RQ3 提高光电子产额（NPE）对SUBMET实验中毫电荷粒子排除极限有何影响？
• RQ4 探测器尺寸、层数和背景水平对毫电荷粒子探测灵敏度的实现有何影响？
• RQ5 具有高NPE和低背景的4层闪烁体棒探测器能否为亚毫电荷粒子提供稳定可靠的信号探测环境？

主要发现

• 在10²²质子-靶撞击（POT）下，SUBMET实验对质量低于0.2 GeV/c²的毫电荷粒子可实现电荷ε = 3×10⁻⁴e的灵敏度。
• 对于质量低于1.6 GeV/c²的范围，灵敏度可扩展至ε = 1.5×10⁻³e，覆盖了此前未被探索的电荷-质量参数空间区域。
• 提升灵敏度的主要因素是增加光电子产额（NPE），其中NPE提升2倍可使排除极限改善25%，提升3倍可改善35%。
• 背景水平影响较小；背景增加100倍仅使排除极限恶化15%，表明对中等背景波动具有较强鲁棒性。
• 使用3层而非4层探测器虽可提高信号产额，但背景水平上升至约3000，对mχ < 0.2 GeV/c²的灵敏度仅略有提升。
• 探测器对构型变化相对不敏感，各种测试构型下的排除极限均保持在ε ≈ 1.5–3.0×10⁻⁴e范围内，表明具有高度稳定性。