[論文レビュー] Probing hidden sectors with a muon beam: Implication of spin-0 dark matter mediators for the muon (g-2) anomaly and the validity of the Weiszäcker-Williams approach

H. Sieber, D. Kirpichnikov+7 more|arXiv (Cornell University)|May 15, 2023

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、固定標的においてミューオンのブレムストラールングによって生成される、ミューオンと結合するスピン0のダークマター媒介粒子（スカラーおよび擬スカラー）を調査する。ワイスツァッカー＝ウィリアムズ近似を用いて、これらの過程の高精度な微分断面積を導出し、正確な木レベル計算と5%以内の一致を示した。また、この形式をNA64μ実験に適用し、10^11～10^13個のミューオン標的に対する、ミューオン(g−2)異常領域およびリリックダークマターのパラメータ空間を探索する能力を示した。

ABSTRACT

In addition to vector ($V$) type new particles extensively discussed previously, both CP-even ($S$) and CP-odd ($P$) spin-0 Dark Matter (DM) mediators can couple to muons and be produced in the bremsstrahlung reaction $μ^- + N ightarrow μ^- + N + S(P)$. Their possible subsequent invisible decay into a pair of Dirac DM particles, $S(P) o χ\overlineχ$, can be detected in fixed target experiments through missing energy signature. In this paper, we focus on the case of experiments using high-energy muon beams. For this reason, we derive the differential cross-sections involved using the phase space Weiszäcker-Williams approximation and compare them to the exact-tree-level calculations. The formalism derived can be applied in various experiments that could observe muon-spin-0 DM interactions. This can happen in present and future proton beam-dump experiments such as NA62, SHIP, HIKE, and SHADOWS; in muon fixed target experiments as NA64$μ$, MUoNE and M3; in neutrino experiments using powerful proton beams such as DUNE. In particular, we focus on the NA64$μ$ experiment case, which uses a 160 GeV muon beam at the CERN Super Proton Synchrotron accelerator. We compute the derived cross-sections, the resulting signal yields and we discuss the experiment projected sensitivity to probe the relic DM parameter space and the $(g-2)_μ$ anomaly favoured region considering $10^{12}$ and $10^{13}$ muons on target.

研究の動機と目的

• 高エネルギーのミューオン固定標的実験におけるスピン0のダークマター媒介粒子（スカラーおよび擬スカラー）の生成を研究すること。
• 正確な木レベル計算と比較して、スピン0媒介粒子生成におけるワイスツァッカー＝ウィリアムズ近似の正確性を検証すること。
• ダークセクター探索におけるモンテカルロシミュレーションの改善を目的とした、微分断面積の解析的公式を導出すること。
• NA64μ実験のミューオン(g−2)異常 favourd領域およびリリックダークマターのパラメータ空間に対する感度を予測すること。
• この形式をNA62、SHIP、DUNE、M3などの他の実験へも拡張可能であるようにすること。

提案手法

• ワイスツァッカー＝ウィリアムズ近似を用いて、μN → μN S(P) の微分断面積を導出する。
• ワイスツァッカー＝ウィリアムズの結果を正確な木レベル計算と比較し、正確性を評価する。
• ダークボソンの放射をより高速かつ正確にシミュレートできる、ワイスツァッカー＝ウィリアムズフレームワーク内での新しい解析的公式を開発する。
• CERNの160 GeVミューオンビームを用いて、形式をNA64μ実験に適用する。
• 10^11および10^13個のミューオン標的に対する信号収量と予想感度を計算する。
• Geant4ベースのダークマターシミュレーションパッケージDMG4に結果を実装し、現実的なイベントモデル化を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ワイスツァッカー＝ウィリアムズ近似は、ミューオンのブレムストラールングにおけるスピン0媒介粒子生成の正確な木レベル断面積をどの程度正確に再現するか？
• RQ2 スピン0媒介粒子を用いた場合、NA64μ実験は(g−2)μ異常 favourd領域に対してどの程度の感度を持つのか？
• RQ3 導出された解析的微分断面積は、ダークセクター探索におけるモンテカルロシミュレーションの効率および正確性を向上させることができるか？
• RQ4 10^11および10^13個のミューオン標的を用いたミューオンビームダンプ実験において、スカラーおよび擬スカラー媒介粒子の予想信号収量は何か？
• RQ5 これらの結果は、NA62、SHIP、DUNE、M3などの他の固定標的実験へどのように応用可能か？

主な発見

• ワイスツァッカー＝ウィリアムズ近似は、スピン0媒介粒子生成の正確な木レベル断面積を5%未満の誤差で再現する。
• 新規に開発された解析的微分断面積公式により、ダークボソン放射のモンテカルロシミュレーションが高速かつ高精度に可能になった。
• 10^11個のミューオン標的の場合、NA64μはスカラー媒介粒子の状況で(g−2)μ異常 favourd領域を探索可能である。
• 10^13個のミューオン標的の場合、NA64μはスピン0媒介粒子の熱的リリックダークマターのパラメータ空間に感度を持つ。
• この形式は、NA64μ、NA62、SHIP、HIKE、SHADOWS、DUNE、M3などの現在および将来の実験に直接適用可能である。
• 本研究は、ミューオンビームがスピン0のダークマター媒介粒子を含む弱い結合した隠れたセクターを探索する有効な手段であることを確認した。