[论文解读] Dark matter search in a Beam-Dump eXperiment (BDX) at Jefferson Lab

M. Battaglieri, A. Bersani+102 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2016

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 14

一句话总结

本文提出在杰斐逊实验室开展束流打靶实验（Beam-Dump eXperiment, BDX），利用位于束流打靶下游的1 m³分段式CsI(Tl)闪烁体探测器，通过弹性与非弹性散射搜寻MeV–GeV量级的暗物质。在最高达10²²个电子/靶的条件下，BDX对暗物质相互作用的探测灵敏度可达每年10个事例，接近不可消除的中微子本底，并在发现潜力方面比现有实验高出最多两个数量级。

ABSTRACT

MeV-GeV dark matter (DM) is theoretically well motivated but remarkably unexplored. This proposal presents the MeV-GeV DM discovery potential for a $\sim$1 m$^3$ segmented CsI(Tl) scintillator detector placed downstream of the Hall A beam-dump at Jefferson Lab, receiving up to 10$^{22}$ electrons-on-target (EOT) in 285 days. This experiment (Beam-Dump eXperiment or BDX) would be sensitive to elastic DM-electron and to inelastic DM scattering at the level of 10 counts per year, reaching the limit of the neutrino irreducible background. The distinct signature of a DM interaction will be an electromagnetic shower of few hundreds of MeV, together with a reduced activity in the surrounding active veto counters. A detailed description of the DM particle $χ$ production in the dump and subsequent interaction in the detector has been performed by means of Monte Carlo simulations. Different approaches have been used to evaluate the expected backgrounds: the cosmogenic background has been extrapolated from the results obtained with a prototype detector running at INFN-LNS (Italy), while the beam-related background has been evaluated by GEANT4 Monte Carlo simulations. The proposed experiment will be sensitive to large regions of DM parameter space, exceeding the discovery potential of existing and planned experiments in the MeV-GeV DM mass range by up to two orders of magnitude.

研究动机与目标

• 在杰斐逊实验室的束流打靶实验中搜寻轻量级暗物质（MeV–GeV），解决一个理论上合理但实验上尚未充分探索的质量范围。
• 实现对每年10个事例量级的暗物质相互作用的探测灵敏度，接近不可消除的中微子本底。
• 通过现代探测器技术和经过验证的模拟，证明高强度电子束束流打靶实验的可行性。
• 确立BDX为迄今最灵敏的束流打靶实验，其在轻量级暗物质探测方面的发现潜力超越现有及计划中的实验。

提出的方法

• 实验使用分段式CsI(Tl)闪烁体电磁量能器，探测暗物质相互作用产生的电磁簇射。
• 量能器周围配备主动 veto 系统，通过识别符合事例来抑制宇宙射线本底。
• 利用GEANT4进行蒙特卡洛模拟，建模束流打靶中的暗物质产生过程及探测器响应，包括电磁簇射的发展过程。
• 宇宙射线本底基于在INFN-LNS运行的原型探测器数据估算，为杰斐逊实验室环境提供保守外推。
• 通过详细的GEANT4模拟束流打靶相互作用及探测器几何结构，评估束流相关本底。
• 设计了一座新的地下设施，配备屏蔽与覆盖层以最大限度减少束流与宇宙射线本底，并提供了基础设施的成本估算。

实验结果

研究问题

• RQ1 利用高强度电子束的束流打靶实验能否通过与电子的弹性与非弹性散射探测MeV–GeV量级的暗物质？
• RQ2 BDX实验对暗物质相互作用的预期灵敏度是多少？其与不可消除的中微子本底相比如何？
• RQ3 BDX探测器设计（包括主动veto与量能器系统）能否有效抑制宇宙射线本底，以实现接近本底极限的灵敏度？
• RQ4 与现有及计划中的实验相比，BDX在MeV–GeV量级暗物质质量范围内的发现潜力如何？
• RQ5 轻量级暗物质的理论模型（包括标量与矢量媒介子）所预测的信号，BDX能否有效探测？

主要发现

• BDX对暗物质相互作用的探测灵敏度达到每年10个事例，接近由带电流电子中微子相互作用产生的不可消除本底。
• 该实验的发现潜力在MeV–GeV质量范围内，比现有及计划中的实验高出最多两个数量级。
• 蒙特卡洛模拟证实，束流打靶中暗物质的产生及探测器中的后续相互作用均被良好建模，包括真实的簇射发展与能量沉积过程。
• 在INFN-LNS运行的原型探测器为宇宙射线本底率提供了保守估计，并已外推至杰斐逊实验室的配置。
• 通过详细的GEANT4模拟，束流相关本底得到有效控制，表明探测器设计能有效抑制误触发信号。
• 杰斐逊实验室的BDX被认定为迄今最强大的束流打靶实验，其灵敏度仅受限于中微子本底。