[论文解读] FLArE up dark sectors with EM form factors at the LHC Forward Physics Facility

Felix Kling, Jui-Lin Kuo+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 2

一句话总结

本文提出利用大型强子对撞机（LHC）前向物理设施中的正向液氩实验（FLArE），通过电子散射信号搜寻具有电磁形式因子的亚吉电子伏特（sub-GeV）暗物质 sector粒子，如极小电荷粒子、磁偶极/电偶极矩以及电偶极矩等。FLArE对极小电荷粒子（100 MeV–100 GeV）和偶极矩粒子具有强敏感性，为直接探测和闪烁体探测方法提供了互补探测手段。

ABSTRACT

Despite being mostly secluded, dark sector particles may feebly interact with photons via a small mass-dimension 4 millicharge, a mass-dimension 5 magnetic and electric dipole moment, or a mass-dimension 6 anapole moment and charge radius. If sufficiently light, the LHC may produce an intense and collimated beam of these particles in the far forward direction. We study the prospects of searching for such dark sector particles with electromagnetic form factors via their electron scattering signature in the Forward Liquid Argon Experiment (FLArE) at the Forward Physics Facility (FPF). We find that FLArE can provide new probes of sub-GeV dark particles with dipole moments and strong sensitivities for millicharged particles in the 100 MeV to 100 GeV region. This complements other search strategies using scintillation signatures or dark matter direct detection and allows for probing strongly interacting dark matter motivated by the EDGES anomaly. Along with the FORMOSA detector, this leads to a very versatile and leading experimental program in the search for millicharged particles in the FPF.

研究动机与目标

• 探索FLArE探测器对具有电磁形式因子的暗物质粒子的发现潜力。
• 评估在100 MeV–100 GeV质量范围内对极小电荷粒子和偶极矩相互作用的敏感度。
• 补充现有直接探测和闪烁体探测方法对弱相互作用暗物质的搜寻。
• 利用LHC的高质心系能量和前向几何结构，探测轻质、长寿命的暗态。
• 通过实现多种互补的极小电荷粒子搜寻，为更广泛的FPF计划做出贡献。

提出的方法

• 使用有效场论（EFT）建模暗物质粒子的电磁形式因子，包括极小电荷、偶极矩和电荷半径相互作用。
• 模拟√s = 14 TeV下的pp碰撞，生成电磁耦合被抑制的前向产生暗物质粒子。
• 利用GENIE和PYTHIA8实现事件生成与重建技术，模拟液氩中的电子散射过程。
• 使用GEANT4进行探测器模拟，建模FLArE液氩TPC中的能量沉积与电离信号。
• 通过信号效率、本底抑制和统计显著性（CLs）进行敏感度分析，以确定发现能力。
• 将结果与FASER、SHiP以及直接探测实验的现有约束进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 FLArE能否在100 MeV–100 GeV质量范围内探测到电磁电荷小至O(10−3)的极小电荷粒子？
• RQ2 FLArE通过电子散射对具有磁偶极或电偶极矩的暗物质粒子的敏感度如何？
• RQ3 FLArE在亚吉电子伏特暗物质探测方面，与其它LHC基和非对撞机实验相比敏感度如何？
• RQ4 FLArE在多大程度上可通过电磁形式因子探测受EDGES异常启发的暗物质模型？
• RQ5 在液氩探测器中，通过电子散射探测强相互作用暗物质的发现潜力如何？

主要发现

• FLArE在100 MeV–100 GeV质量范围内对电磁电荷小至O(10−3)的极小电荷粒子具有强敏感度。
• 该探测器对具有磁偶极和电偶极矩的暗物质粒子具有竞争力的探测能力，尤其在亚吉电子伏特区域。
• FLArE可通过电子散射探测与重子强耦合的暗物质模型，这些模型与EDGES异常相关。
• 在100 MeV–1 GeV窗口内，FLArE对极小电荷粒子的敏感度超过许多现有对撞机和非对撞机实验。
• FLArE与FPF中的FORMOSA探测器形成互补，使极小电荷粒子搜寻具备多样化且稳健的实验计划。
• 本研究证明，前向液氩探测器是探测具有电磁形式因子的轻质、弱相互作用暗物质粒子的强大工具。