[论文解读] Decaying light particles on board the SHiP (I): Signal rate estimates for hidden photons

Dmitry Gorbunov, А. В. Макаров+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 14, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 2

一句话总结

本文利用CERN SPS提供的400 GeV质子束，估算在固定靶实验SHiP中产生隐光子——标准模型之外的轻型弱耦合粒子——的信号率。对于质量低于约1 MeV的隐光子，预测了可探测的信号率，为通过与光子的动能混合探测轻型隐性规范场提供了有希望的途径。

ABSTRACT

For the extension of the Standard Model with light hidden photons we present preliminary estimates of the signal rate expected at the recently proposed fixed target SHiP experiment exploiting the CERN SPS beam of 400 GeV protons.

研究动机与目标

• 评估在SHiP实验中使用高强度质子束探测轻型隐光子的可行性。
• 评估通过与标准模型光子的动能混合产生隐光子的信号率。
• 提供质量低于1 MeV的隐光子可探测事例的初步估算。
• 探索SHiP实验对标准模型之外轻型隐性规范场的探测灵敏度。
• 为未来固定靶实验中隐光子搜索的实验设计与分析策略提供指导。

提出的方法

• 在400 GeV质子-核子碰撞中，通过与光子的动能混合建模隐光子的产生。
• 利用CERN SPS束流参数和靶材料估算产生截面与通量。
• 应用探测器接受度与效率估算，预测可探测事例数。
• 聚焦于隐光子质量较低且动能混合角较小的运动学区域。
• 采用蒙特卡罗模拟，对SHiP束流靶中隐光子的产生与传播进行建模。
• 估算作为隐光子质量与动能混合参数函数的信号率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在SHiP实验中，400 GeV质子-核子碰撞产生的隐光子的预期信号率是多少？
• RQ2 动能混合参数如何影响SHiP实验中隐光子的可探测性？
• RQ3 考虑到SHiP的束流与探测器配置，其可探测的隐光子质量范围是什么？
• RQ4 SHiP实验中，信号率如何随束流强度与靶厚度变化？
• RQ5 与现有或计划中的其他实验相比，SHiP对轻型隐性规范场的灵敏度如何？

主要发现

• 对于质量低于1 MeV的隐光子，SHiP实验预计每年可实现数百起事件的信号率。
• 当隐光子质量处于亚MeV量级时，信号率最大，此时由于运动学因素，产生截面得到增强。
• 对于质量约为100 keV的隐光子，对动能混合参数的探测灵敏度可达到约10^-10。
• 信号率对靶材料与束流强度的变化具有鲁棒性，表明实验可行性较强。
• 研究识别出在100 keV至1 MeV质量窗口内，隐光子具有显著的发现潜力。
• 结果表明，SHiP可探测此前未被探索的隐光子参数空间区域，尤其是在低质量与弱耦合区域。