[论文解读] Dark Sectors at fixed targets: The example of NA62

Babette Döbrich|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2018

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 23被引用 15

一句话总结

本文展示了NA62实验在CERN SPS对固定靶质子碰撞中产生的暗物质 sector粒子（如暗光子、轴子样粒子和重中微子）的探测灵敏度。通过高精度时间测量、全包容探测和先进的本底抑制技术，NA62探测了此前未探索的参数空间，预计在10¹⁸ POT下对暗光子的耦合常数灵敏度可达∼10⁻⁸，对轴子样粒子（ALPs）可达10⁻⁹。

ABSTRACT

If new physics manifests itself in the existence of very weakly coupled particles of MeV-GeV mass-scale, fixed-target experiments can be an excellent instrument to discover it. In these proceedings, we review especially the sensitivity of the NA62 experiment to this physics scenario.

研究动机与目标

• 探索固定靶实验（如NA62）对MeV–GeV质量范围内弱耦合、长寿命粒子的探测灵敏度，特别是源自暗物质sector的粒子。
• 评估NA62探测奇异粒子（如暗光子、轴子样粒子（ALPs）和重中微子（HNLs））的能力，这些粒子由奇异粒子衰变和质子束流打靶产生。
• 评估对带电和中性末态的本底抑制策略，尤其在高精度时间测量和全包容探测背景下的表现。
• 预测NA62在超出标准模型的新物理中的发现潜力，特别是在暗物质和隐藏sector模型的背景下。
• 评估在Run 3期间（2021–2023）以束流打靶模式运行NA62的可行性，以增强对长寿命、弱耦合粒子的探测灵敏度。

提出的方法

• 利用400 GeV质子束轰击铍靶，产生次级粒子（包括奇异粒子），其衰变可能产生潜在的暗物质sector粒子。
• 采用全包容探测系统，结合高精度时间测量（≈100 ps），以重建粒子轨迹和衰变顶点，从而实现对长寿命粒子的高灵敏度搜索。
• 通过多重拒识系统实施严格的本底抑制：μ子识别（MUV3）、强子识别（MUV1/MUV2）和光子拒识（LKr、LAV、IRC、SAC）。
• 通过顶点基底抑制策略，要求顶点位于事例体积内（105–165 m）且与束流线的横向距离为10–50 cm。
• 利用外推顶点动量和空间约束条件，抑制奇异粒子和π介子衰变本底，经筛选后信号箱内无剩余事件。
• 基于10¹⁸ POT的模拟数据，投影暗物质sector模型的发现潜力，假设实现完全本底抑制和优化触发条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 NA62对质量在MeV–GeV范围、耦合常数低至∼10⁻⁸的暗光子的探测灵敏度如何？
• RQ2 NA62在高精度时间测量和全包容探测背景下，对奇异末态（特别是奇异粒子和π介子衰变产生的双轨迹顶点）的本底抑制效果如何？
• RQ3 在束流打靶模式下，NA62能否探测具有短衰变长度和高动量因子的轴子样粒子（ALPs）？
• RQ4 NA62在奇异粒子衰变中对重中微子（HNLs）的探测发现潜力如何？其结果与现有极限相比如何？
• RQ5 NA62的高精度时间测量和全包容覆盖能力在多大程度上可支持对隐形或缺失能量末态的探测？

主要发现

• 在应用严格的顶点和本底筛选后，信号箱内（距束流线10–50 cm）双轨迹顶点无任何剩余事件，表明奇异粒子和π介子衰变本底被有效抑制。
• NA62对耦合常数低至∼10⁻⁸的暗光子具有探测灵敏度，预计在10¹⁸ POT下可实现发现潜力。
• 对于轴子样粒子（ALPs），在束流打靶模式下高动量因子使探测区域扩展至此前未探索的范围，得益于81米吸收体长度下指数衰减的生存概率。
• 2016年数据的初步结果验证了NA62的性能，事例区域内未观测到显著的本底污染。
• 实验表明以寄生模式运行束流打靶是可行的，其本底抑制能力足以支持新物理搜索。
• 合作组正在评估在Run 3（2021–2023）期间开展专用束流打靶运行的可能性，以进一步提升对长寿命、弱耦合粒子的探测灵敏度。