[论文解读] Experiments and Facilities for Accelerator-Based Dark Sector Searches

P. Ilten, Nhan Viet Tran+28 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 6

一句话总结

本白皮书概述了一套全面的基于加速器的实验与设施，旨在搜寻GeV量级及以下质量范围的暗能量组粒子，重点聚焦于暗光子、隐秘规范场和弱相互作用的亚GeV暗物质。通过利用高强束流、创新的束流打靶与固定靶构型，以及费米国家加速器实验室、欧洲核子研究中心和MESA等设施的先进探测技术，所提出的计划旨在探测此前无法触及的参数空间，特别是针对具有微小动能混合或隐形衰变模式的暗物质。

ABSTRACT

This paper provides an overview of experiments and facilities for accelerator-based dark matter searches as part of the US Community Study on the Future of Particle Physics (Snowmass 2021). Companion white papers to this paper present the physics drivers: thermal dark matter, visible dark portals, and new flavors and rich dark sectors.

研究动机与目标

• 识别并评估针对暗能量组的基于加速器的实验计划，尤其关注亚GeV至GeV量级的范围。
• 通过探测弱相互作用、长寿命或隐形的暗能量组粒子，弥补直接探测与对撞机实验的局限性。
• 提出新型实验设施与升级方案，如PIP2-BD、DarkMESA与FASERν2，以增强对轻量暗物质与隐秘光子的探测灵敏度。
• 支持下一代探测器的发展，具备高颗粒度、低阈值与背景抑制能力，以探测稀有过程。
• 通过束流打靶、固定靶与前向物理方法，实现对暗光子、暗希格斯玻色子与毫电荷粒子的互补搜寻。

提出的方法

• 利用费米国家加速器实验室的PIP-II、MESA以及欧洲核子研究中心的SPS等设施的高强、低能质子与电子束流，通过介子衰变或动能混合产生暗能量组粒子。
• 采用屏蔽式多探测器构型的束流打靶实验（如DarkMESA、LDMX、FASERν），通过缺失能量或位移顶点探测长寿命或隐形的暗物质。
• 实施高分辨率磁谱仪（如MESA的MAGIX）以实现反冲质子与散射电子的符合测量，用于缺失质量重建。
• 在MESA采用能量回收直线加速器（ERL）运行模式，提供高强、低本底电子束流，用于可见衰变暗光子的搜寻。
• 采用具有精确时间同步的脉冲束流操作（如PAR、C-PAR方案），以抑制中子与中微子等束流相关本底。
• 部署大体积、低阈值探测器（如milliQan、POKER、SHADOWS），以捕捉毫电荷粒子或暗光子引起的稀有低能散射事件。

实验结果

研究问题

• RQ1 在1 GeV以下范围内，探测暗光子与隐秘规范场粒子的最灵敏基于加速器的实验构型是什么？
• RQ2 在高强加速器上，束流打靶与固定靶实验如何提升对长寿命或隐形暗物质的探测灵敏度？
• RQ3 为最小化本底并最大化暗能量组信号事例率，最优的束流参数（能量、重复频率、脉冲宽度）是什么？
• RQ4 如何利用现有与升级后的设施（如PIP2-BD与FASERν2）同时探测相干弹性中微子-核子散射（CEvNS）与暗物质？
• RQ5 能量回收直线加速器（ERL）与气体喷射靶在实现高精度、低本底的可见衰变暗光子搜寻中发挥何种作用？

主要发现

• PIP2-BD设施，采用基线累积环（PAR），可在五年内提供1.2×10^23个质子对靶，实现对轻量暗物质与隐秘规范场粒子的高灵敏度搜寻。
• C-PAR方案采用10 ns束流脉冲，显著降低束流相关本底，提升对稀有过程（如暗光子产生与隐形衰变）的探测灵敏度。
• RCS-SR升级方案的束流功率达1.3 MW，五年内对靶质子数达5.0×10^23，为探测最弱耦合的暗能量组模型提供了最高灵敏度。
• MESA的ERL模式可提供最高达105 MeV能量、1 mA束流强度，实现高精度、低本底的可见衰变暗光子搜寻，方法为缺失质量谱学。
• DarkMESA利用束流打靶与距离下游23米的屏蔽探测器，旨在探测质子诱导强子簇射产生的暗物质，计划每年运行4,000小时。
• FASERν2与FASERν旨在通过中微子诱导相互作用探测中微子与潜在的暗能量组粒子，其中FASERν2有望实现CEvNS与暗物质搜寻的高统计量。