[论文解读] SENSEI: Search for Millicharged Particles produced in the NuMI Beam

L. Barak, Itay M. Bloch+29 more|arXiv (Cornell University)|May 8, 2023

Radiation Therapy and Dosimetry被引用 6

一句话总结

本论文介绍了SENSEI实验利用费米国家加速器实验室NuMI束流中质子碰撞产生的毫电荷粒子（mCPs）的搜索结果，采用位于MINOS洞穴中的低阈值Skipper-CCD探测器。通过对2020年数据的分析，未观测到离子化事件（3–6个电子），该研究在30 MeV至380 MeV质量范围内设定了迄今为止最严格的mCP约束，尤其在100–210 MeV范围内，相比以往限制提高了最多两倍。

ABSTRACT

Millicharged particles appear in several extensions of the Standard Model, but have not yet been detected. These hypothetical particles could be produced by an intense proton beam striking a fixed target. We use data collected in 2020 by the SENSEI experiment in the MINOS cavern at the Fermi National Accelerator Laboratory to search for ultra-relativistic millicharged particles produced in collisions of protons in the NuMI beam with a fixed graphite target. The absence of any ionization events with 3 to 6 electrons in the SENSEI data allow us to place world-leading constraints on millicharged particles for masses between 30 MeV to 380 MeV. This work also demonstrates the potential of utilizing low-threshold detectors to investigate new particles in beam-dump experiments, and motivates a future experiment designed specifically for this purpose.

研究动机与目标

• 在标准模型扩展中预测但尚未被探测到的MeV至GeV量级的毫电荷粒子（mCPs）进行搜索。
• 利用MINOS洞穴中Skipper-CCD探测器的低本底和低探测阈值，提升对弱相互作用mCPs的探测灵敏度。
• 通过利用高强度NuMI质子束流和精确的离子化能量沉积测量，改进现有mCPs的实验约束。
• 验证体激发子振荡在硅中通过电子能量损失增强mCP探测的作用，这对低阈值探测至关重要。
• 展示在现有加速器设施中使用低阈值探测器开展新物理搜索（特别是mCPs和暗物质候选者）的可行性。

提出的方法

• SENSEI实验使用探测阈值约为1.5 eV（相当于约3个电子）的Skipper-CCD探测器，测量NuMI束流中mCPs产生的离子化信号。
• 探测器位于费米国家加速器实验室的MINOS洞穴中，NuMI束流中的质子撞击固定石墨靶，通过高能相互作用产生mCPs。
• mCPs与硅相互作用的理论建模包括电子能量损失谱学和基于GPAW的计算，以确定截面，特别强调低能区的体激发子振荡。
• 使用简化公式 $ N(\varepsilon,m_{\chi}) = N_e \Phi_{\rm fast}(\varepsilon,m_{\chi}) \sigma_{\rm det} $ 计算预期事例数，其中 $ \Phi_{\rm fast} $ 为洛伦兹因子 $ \gamma > 3 $ 的mCPs通量，$ N_e $ 为探测器中电子数。
• 按每个电子通道评估本底，并使用频密学似然比方法合并限制，以设定95%置信水平（C.L.）边界。
• 通过使用平均自由程近似，隐式考虑几何效应，其中探测概率仅取决于探测器体积和相互作用截面。

实验结果

研究问题

• RQ1 在30 MeV至380 MeV质量范围内，毫电荷粒子的最严格实验约束是什么？
• RQ2 Skipper-CCD技术在束流打靶环境中探测超相对论性mCPs的低离子化信号方面有多高效？
• RQ3 硅中体激发子振荡在多大程度上增强了小电荷mCPs的探测截面？
• RQ4 现有加速器设施中的低阈值探测器能否与专用实验相比，提供对mCPs的竞争力灵敏度？
• RQ5 SENSEI的约束与以往实验（如milliQ、milliQan和MiniBooNE）在相同质量和电荷范围内的结果相比如何？

主要发现

• 基于2020年NuMI束流数据，SENSEI实验在30 MeV至380 MeV质量范围内设定了迄今为止最严格的毫电荷粒子约束。
• 未观测到3至6个电子的离子化事件，因此在该能量窗口内设定了mCP产生截面的95% C.L.上限。
• 在100 MeV至210 MeV质量范围内，约束相比以往限制提高了最多两倍，尤其在灵敏度最高的区域。
• mCPs与硅的相互作用截面因体激发子振荡而显著增强，使得即使对于极小的毫电荷也能实现探测。
• Skipper-CCD探测器的低阈值和低本底使其特别适合在束流打靶实验中探测mCPs及其他弱相互作用粒子。
• 本研究证明，利用现有基础设施配备低阈值探测器可实现具有竞争力的灵敏度，为未来专为mCPs搜索优化的实验提供了动力。