[论文解读] Proposal for an Experiment to Search for Light Dark Matter at the SPS

Sarah Andreas, S.V. Donskov+17 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2013

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 53被引用 38

一句话总结

本文提出在CERN的SPS开展一项光穿墙实验，利用10–300 GeV电子束搜索轻型暗光子（$A^{\backprime}$），通过其双电子衰变 $A^{\backprime} \to e^+e^-$，目标实现 $A^{\backprime}$ 产生截面与光子产生截面之比的灵敏度 $\lesssim 10^{-13}$，覆盖 $\epsilon \sim 10^{-5}$–$10^{-3}$ 和 $M_{A^{\backprime}} \lesssim 100$ MeV 范围内尚未探索的参数空间。

ABSTRACT

Several models of dark matter suggest the existence of dark sectors consisting of SU(3)_C x SU(2)_L x U(1)_Y singlet fields. These sectors of particles do not interact with the ordinary matter directly but could couple to it via gravity. In addition to gravity, there might be another very weak interaction between the ordinary and dark matter mediated by U'(1) gauge bosons A' (dark photons) mixing with our photons. In a class of models the corresponding dark gauge bosons could be light and have the $γ$-A' coupling strength laying in the experimentally accessible and theoretically interesting region. If such A' mediators exist, their di-electron decays A' -> e+e- could be searched for in a light-shining-through-a-wall experiment looking for an excess of events with the two-shower signature generated by a single high energy electron in the detector. A proposal to perform such an experiment aiming to probe the still unexplored area of the mixing strength 10^-5 < $ε$ < 10^-3 and masses M_A' < 100 MeV by using 10-300 GeV electron beams from the CERN SPS is presented. The experiment can provide complementary coverage of the parameter space, which is intended to be probed by other searches. It has also a capability for a sensitive search for A's decaying invisibly to dark-sector particles, such as dark matter, which could cover a significant part of the still allowed parameter space. The full running time of the proposed measurements is requested to be up to several months, and it could be taken at different SPS secondary beams.

研究动机与目标

• 探测轻型暗光子（$A^\prime$）在混合强度 $\epsilon \sim 10^{-5}$–$10^{-3}$ 和质量 $M_{A^\prime} \lesssim 100$ MeV 范围内的未探索参数空间。
• 通过高密实度电磁量能器系统中双喷注信号的特征，搜索 $A^\prime \to e^+e^-$ 衰变。
• 实现对 $A^\prime$ 衰变为暗物质粒子的隐形衰变的灵敏度，覆盖剩余允许参数空间的显著部分。
• 通过探测 $A^\prime$ 参数空间中与 APEX 和 DarkLight 等现有实验不同的区域，实现互补。

提出的方法

• 利用CERN SPS的次级电子束（能量10至300 GeV）通过 $e^-Z \to e^-ZA^\prime$ 散射过程在核上产生 $A^\prime$。
• 在屏蔽墙后使用紧凑型、高半球度的闪烁体-钨电磁量能器（ECAL2）探测双电子喷注信号。
• 采用高效率的拒斥计数器和基于同步辐射探测的束流标记系统，抑制低能电子和强子带来的背景。
• 利用闪烁纤维追踪器和丝室重建束流粒子并标记入射电子。
• 通过分析ECAL1和ECAL2中喷注轮廓的运动学和拓扑特征，区分 $A^\prime$ 衰变信号与背景。
• 在第一阶段（2015年）使用束流背景优化探测器组件，随后在第二阶段（2015–2016年）通过潜在升级实现目标灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 光穿墙实验能否利用SPS的10–300 GeV电子束探测 $A^\prime \to e^+e^-$ 衰变？
• RQ2 在 $\epsilon \sim 10^{-5}$–$10^{-3}$ 和 $M_{A^\prime} \lesssim 100$ MeV 范围内，$A^\prime$ 产生与衰变的可实现灵敏度是多少？
• RQ3 该实验能否实现对 $A^\prime$ 衰变为暗物质、分支比低于 $10^{-11}$–$10^{-12}$ 的灵敏度？
• RQ4 通过标记与拒斥系统，能否有效抑制与束流相关的背景（强子、μ子、低能电子）？
• RQ5 何种探测器构型与束流参数组合可最大化灵敏度，同时最小化背景污染？

主要发现

• 该实验可实现 $A^\prime \to e^+e^-$ 衰变模式下 $\sigma(e^-Z \to e^-ZA^\prime)/\sigma(e^-Z \to e^-Z\gamma)$ 比值的灵敏度 $\lesssim 10^{-13}$。
• 对于隐形 $A^\prime$ 衰变，该比值的灵敏度可达 $\lesssim 10^{-12}$，覆盖仍允许参数空间的显著部分。
• 通过同步辐射标记系统可有效抑制低能电子带来的本底。
• 第一阶段（2015年）旨在优化探测器组件并测量强子和μ子污染带来的主要背景。
• 第二阶段（2015–2016年）计划利用具备足够强度的次级SPS束线，实现目标灵敏度。
• 若观测到信号过剩，将明确表明存在标准模型之外的新物理。