[论文解读] Hidden sector searches with SHiP and NA62

P. Mermod|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 18被引用 8

一句话总结

本文评估了CERN SPS加速器上NA62与SHiP实验通过高强度质子束流打靶和束流运行模式探测隐Sector粒子（如重中性轻子HNLs与暗光子）的潜力。NA62在束流模式下对HNL混合的限制可达到$U^2 \sim 10^{-6}$，适用于质量高达0.45 GeV的范围；而SHiP与NA62在打靶模式下可探测质量高达5 GeV、混合强度低于现有约束的HNLs，覆盖与中微子质量生成、重子生成及暗物质相关的参数区域。

ABSTRACT

High-intensity proton beams impinging on a fixed target or beam dump allow to probe new physics via the production of new weakly-coupled particles in hadron decays. The CERN SPS provides opportunities to do so with the running NA62 experiment and the planned SHiP experiment. Reconstruction of kaon decay kinematics (beam mode) allows NA62 to probe for the existence of right-handed neutrinos and dark photons with masses below 0.45 GeV. Direct reconstruction of displaced vertices from the decays of new neutral particles (dump mode) will allow NA62 and SHiP to probe right-handed neutrinos with masses up to 5 GeV and mixings down to several orders of magnitude smaller than current constraints, in regions favoured in models which explain at once neutrino masses, matter-antimatter asymmetry and dark matter.

研究动机与目标

• 评估CERN SPS加速器上NA62与SHiP实验对隐Sector中新物理的探测灵敏度，特别是重中性轻子（HNLs）与暗光子。
• 评估NA62在束流模式（重建奇异强子衰变）与打靶模式（探测HNL衰变产生的位移顶点）下的可行性与预期性能。
• 证明SHiP凭借其高质子打靶通量与先进的本底抑制技术，可探测质量高达5 GeV、混合强度远低于当前实验限制的HNLs。
• 识别并约束此前未被探索的HNL与暗光子参数空间区域，特别是与中微子质量生成、重子生成及暗物质相关模型所预测的区域。

提出的方法

• 利用CERN SPS提供的400 GeV质子束流产生大量强子，其可衰变为HNLs或暗光子。
• 在NA62中采用束流模式运行，通过重建奇异强子衰变的动量与能量（如$K^+ \to \mu^+ + \text{HNL}$），从缺失能量与动量推断HNL质量。
• 在NA62与SHiP中采用打靶模式运行，利用高精度追踪与时间探测器识别长寿命粒子衰变产生的位移顶点。
• 通过主动Muon屏蔽、触发器剔除装置、时间分辨率（100 ps）及粒子识别技术实现先进本底抑制，降低误报信号。
• 利用模拟估算本底水平，在$2 \times 10^{20}$质子打靶下，SHiP的预期本底事件数低于0.1。
• 结合CHARM与NuTeV实验的数据作为基准，比较NA62与SHiP在HNL参数空间中的探测灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 NA62在束流模式下能否对质量低于0.45 GeV、混合强度低至$U^2 \sim 10^{-6}$的HNLs设定具有竞争力的限制？
• RQ2 NA62在打靶模式下对质量高达5 GeV、寿命导致位移顶点的HNLs具有何种探测灵敏度？
• RQ3 SHiP的高强束流打靶配置（$2 \times 10^{20}$质子打靶）如何实现对混合强度比当前限制低一个数量级的HNLs探测？
• RQ4 SHiP实验能否探测到现有实验尚未探索的暗光子及其他长寿命隐Sector粒子的参数空间？
• RQ5 SHiP与NA62中采用的本底抑制技术在多大程度上可降低误报信号，从而实现对罕见、长寿命HNL衰变的发现？

主要发现

• NA62在束流模式下，基于$6 \times 10^7$次$K^+$衰变，对$\nu_\mu$的HNL混合强度设限至$U^2 \sim 10^{-6}$，质量范围为0.3–4.5 GeV。
• NA62束流模式的初步结果表明，对$\nu_e$的HNL混合强度可限制至$U^2 \sim 10^{-7}$，质量范围为0.16–4.5 GeV。
• NA62在打靶模式下的测试运行显示出极低的本底水平，HNL候选顶点位于距离相互作用点5 cm以外，表明未来探测的可行性。
• SHiP预计在$2 \times 10^{20}$质子打靶下本底事件数低于0.1，得益于其先进的本底抑制系统。
• SHiP对HNL的探测灵敏度可延伸至5 GeV的质量范围，且混合强度低于$U^2 \sim 10^{-10}$，覆盖了跷跷板模型、重子生成与暗物质模型所青睐的区域。
• NA62在打靶模式与SHiP均有望探测到此前未被约束的暗光子参数空间，尤其在约0.1 GeV质量区域。