[論文レビュー] The Heavy Photon Search Experiment

Per Hansson Adrian|arXiv (Cornell University)|Jan 7, 2013

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用数 7

ひとこと要約

Heavy Photon Search (HPS)実験は、光子との運動混合を介して、GeVスケールの隠れたU(1)ゲージボソン（Heavy Photon、A′）を固定標的にて探索する。高精度なシリコントラッカーとバーテックス検出器を磁気中で用い、ずれたe⁺e⁻またはμ⁺μ⁻崩壊を検出する。1 mm未塔のバーテックス分解能と10⁷の即時バックグラウンド抑制を達成し、1 cm以上の崩壊長を持つ長寿命A′ボソンを、これまで未探索のパラメータ領域で感度をもって探索可能となる。

ABSTRACT

Interest in new physics models including so-called hidden sectors has increased in recent years as a result of anomalies from astrophysical observations. The Heavy Photon Search (HPS) experiment proposed at Jefferson Lab will look for a mediator of a new force, a GeV-scale massive U(1) vector boson, the Heavy Photon, which acquires a weak coupling to electrically charged matter through kinetic mixing. The HPS detector, a large acceptance forward spectrometer based on a dipole magnet, consists of a silicon tracker-vertexer, a lead-tungstate electromagnetic calorimeter, and a muon detector. HPS will search for the e+e- or mu+mu- decay of the Heavy Photon produced in the interaction of high energy electrons with a high Z target, possibly with a displaced decay vertex. In this article, the description of the detector and its sensitivity are presented.

研究の動機と目的

• 宇宙線ポジトロン過剰を説明する隠れたセクターモデルの文脈において、GeVスケールのHeavy Photon（A′）—新しい力の媒介粒子—を探索すること。
• ε ≈ 10⁻¹²–10⁻²の小さな運動混合を有するA′ボソンのパラメータ領域（質量10–1000 MeV）を、特に長寿命領域において探査すること。
• 1 cm以上の崩壊長を有するA′崩壊に感度をもたせることが、背景および検出器制約のため、コライダーおよび従来のビームダンプ実験では到達できない領域をカバーすること。
• 高強度ビーム誘発放射線に耐えることができるが、同時にずれたバーテックス再構築に必要な高い空間的・時間的分解能を維持できる検出器システムを開発すること。
• 特にシリコントラッカーとトリガーシステムの設計と性能を、本格的導入前の段階で縮小スケールの試験装置を用いて検証すること。

提案手法

• 1.1–6.6 GeVの電子ビームを薄い（0.25%X₀）タングステン標的に入射させ、ブレムストラールングを介してA′ボソンを生成する。
• 大型の前方受容角を持つスペクトロメータを磁気中で用い、A′ボソンの崩壊生成物を測定する。
• ステレオ幾何学（90°および50 mradの角度）を有する6層のシリコンマイクロストリップトラッカーを採用し、60 μmの読み出しピッチを実現することで、10 μm未塔のバーテックス分解能を達成する。
• 2 nsの1ヒット時間分解能を持つAPV25フロントエンドASICを用い、ビーム付近の重複ヒットを解消し、バックグラウンドを抑制する。
• 250 MHzの読み出しと8 nsの時間分解能を持つPbWO₃電磁カロリメータを統合し、高速トリガーシグナルを提供する。
• 最初の3層のトラッカーと20 μmのビームスポット制約を用いた3次元バーテックス再構築アルゴリズムを適用し、即時バックグラウンドを約10⁷の要因で抑制する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1 cm以上の崩壊長を有する長寿命A′ボソンからのずれたバーテックス署名が、十分な分解能で即時バックグラウンドと区別可能か？
• RQ2 10–1000 MeVの質量を有するA′ボソンと10⁻¹²まで小さな運動混合パラメータを有する場合、固定標的実験が達成可能な感度はどの程度か？
• RQ3 ビーム付近の高レート・高占有度環境を、バーテックス分解能と放射線耐性を損なわずにどのように管理できるか？
• RQ4 縮小スケールの試験装置を用いて、本格的HPS検出器の性能をどの程度まで検証できるか？
• RQ5 低材料バジェットを有するコンactな高精度トラッカーが、A′ボソン発見に必要なバーテックス分解能を達成できるか？

主な発見

• HPS実験は曲げ平面で約6 μmのバーテックス分解能を達成し、A′ボソンの高いインヴァリアント質量分解能を可能にする。
• トラッカー設計により、1層あたり0.7% X₀未満の材料バジェットを制限し、多重散乱の不確実性を顕著に低減する。
• APV25 ASICによる2 nsの時間分解能のおかげで、ビーム付近の重複ヒットが解消され、バックグラウンド抑制が向上する。
• 全トラック再構築シミュレーションにより、即時バックグラウンドが約10⁷の要因で抑制され、寿命が1 cm以上のA′崩壊に感度をもつことが保証される。
• HPS試験装置は、複数コッホルム散乱のモデル化、DAQ統合、トリガーパフォーマンスの妥当性を成功裏に検証し、設計の実現可能性を確認した。
• 最終的なHPS設計は、試験装置の主要部品を再利用し、第6トラッキング層を追加することで受容角を拡大し、12 GeVアップグレード後の完全な物理学的到達を可能にする。