[論文レビュー] Search for Leptonic Decays of Dark Photons at NA62

The NA Collaboration|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 2023

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、CERNのNA62実験でビーム・ダムプモード下、1.4×10¹⁷個のプロトンを標的に照射したデータを用いて、ダーク光子の電子・陽電子対への崩壊を探索した。信号は観測されず、90%信頼水準でダーク光子質量（50–600 MeV/c²）と運動混合パラメータ（10⁻⁶–4×10⁻⁵）の領域が除外された。これは従来の制限を改善し、B中間子崩壊におけるaxion-like粒子（ALP）の制限を拡張した。

ABSTRACT

The NA62 experiment at CERN, configured in beam-dump mode, has searched for dark photon decays in flight to electron-positron pairs using a sample of $1.4 imes 10^{17}$ protons on dump collected in 2021. No evidence for a dark photon signal is observed. The combined result for dark photon searches in lepton-antilepton final states is presented and a region of the parameter space is excluded at 90% CL, improving on previous experimental limits for dark photon mass values between 50 and 600 MeV$/c^2$ and coupling values in the range $10^{-6}$ to $4 imes10^{-5}$. An interpretation of the $e^+ e^-$ search result in terms of the emission and decay of an axion-like particle is also presented.

研究の動機と目的

• 高強度プロトンビームを用いたビーム・ダムプモードで、ダーク光子の電子・陽電子対へのレプトン的崩壊を探索すること。
• 50–600 MeV/c²の範囲における運動混合パラメータεおよびダーク光子質量M_A′の実験的制限を強化すること。
• 過去のNA62実験で得られたμ⁺μ⁻最終状態への探索結果と組み合わせ、除外限界を強化すること。
• e⁺e⁻探索結果をB中間子崩壊におけるaxion-like粒子（ALP）生成の観点から解釈し、ALPの結合定数および寿命に関する制限を拡張すること。

提案手法

• NA62実験は、プロトンを停止させるために3.2 mの吸収体（TAX）を用いたビーム・ダムプモードで運転し、潜在的なダーク光子を含む二次粒子を生成した。
• チャージドトラックはSTRAW磁気スペクトロメータを用いて再構築され、p > 10 GeV/cを満たす必要があり、CHODおよびANTI0ホドスコープとの時間的・空間的整合性が求められた。
• MUV3ミューオン検出器、LKrコロイメータのエネルギー損失、およびE/p比を用いて粒子識別を実施し、電子とミューオン・パイオンを区別した。
• トラックの逆方向延長から二重トラック頂点を再構築し、二次相互作用を抑制するために、頂点が制限されたフィデューシャルボリューム内に位置することを要件とした。
• 信号領域は、e⁺e⁻対のインバリアント質量再構築により定義され、バックグラウンド推定には制御領域およびモンテカルロシミュレーションが用いられた。
• 尤度の積を用いた統計的組み合わせにより、過去のNA62 A′→μ⁺μ⁻探索結果と統合し、統合された除外限界を導出した。

Figure 1: Schematic side view of the NA62 setup in 2021. Information from KTAG, GTK, CHANTI, MUV1,2, IRC, and SAC is not used in this analysis. Not all beam elements are shown.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NA62実験は、ビーム・ダムプモード下で、e⁺e⁻最終状態へのダーク光子崩壊に対してどの程度の感度を持つのか？
• RQ2 50–600 MeV/c²の質量範囲において、今回の運動混合パラメータεの制限は、従来の実験と比較してどのように異なるか？
• RQ3 e⁺e⁻探索結果は、B中間子崩壊におけるaxion-like粒子生成の制限として解釈可能か？
• RQ4 A′→e⁺e⁻およびA′→μ⁺μ⁻の両結果を統合することで、ダーク光子パラメータの除外限界はどの程度改善されるか？
• RQ5 ALP結合定数の文脈において、NA62の制限はCHARMおよびFASERなどの他の実験の制限と比較してどうなるか？

主な発見

• 1.4×10¹⁷個のプロトンを標的に照射したデータセットにおいて、e⁺e⁻へのダーク光子崩壊の証拠は観測されなかった。
• 90%信頼水準で、(M_A′, ε)平面における新たな除外領域が確立され、ダーク光子質量は50から600 MeV/c²、結合定数は10⁻⁶から4×10⁻⁵の範囲をカバーした。
• 過去のNA62 A′→μ⁺μ⁻探索結果と統合した解析により、同様の質量および結合定数範囲で、従来の実験的制限を顕著に改善した。
• e⁺e⁻結果により、B→K(*)aおよびa→e⁺e⁻崩壊におけるaxion-like粒子（ALP）の制限が拡張され、ALP質量が10から800 MeV/c²の範囲で、(τ_a, BR(B→K(*)a)×BR(a→e⁺e⁻))平面における領域が除外された。
• 特に長寿命ALPに対しては、10–800 MeV/c²の質量範囲で、CHARM実験の制限を上回るNA62の制限が得られた。
• 結果は、ダークマターの熱的残存密度制約と整合的であり、ダーク光子質量が1から1000 MeV/c²、εが10⁻⁶–10⁻³の範囲を支持する傾向にある。

Figure 2: Distribution of two-track vertex positions in the plane ( $Z_{\mathrm{vtx}}$ , $\rho_{\mathrm{vtx}}$ ) for data events, without particle identification requirements. The black contour defines the restricted FV.