[论文解读] Low Mass WIMP Searches with a Neutrino Experiment: A Proposal for Further MiniBooNE Running

A. A. Aguilar-Arevalo, B. Batell+31 more|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2012

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 13

一句话总结

本文提出将MiniBooNE实验扩展为在靶外束流模式下运行，并部署25米吸收体，以探测10–200 MeV的低质量WIMPs，显著降低中微子本底。该方法利用MiniBooNE的大尺寸探测器和高质子束流打靶速率，探测此前直接探测实验无法触及的参数空间，与μ子g-2异常及热退耦合暗物质模型相关，为发现提供独特且低成本的机会，且仅需极少新增基础设施。

ABSTRACT

A proposal submitted to the FNAL PAC is described to search for light sub-GeV WIMP dark matter at MiniBooNE. The possibility to steer the beam past the target and into an absorber leads to a significant reduction in neutrino background, allowing for a sensitive search for elastic scattering of WIMPs off nucleons or electrons in the detector. Dark matter models involving a vector mediator can be probed in a parameter region consistent with the required thermal relic density, and which overlaps the region in which these models can resolve the muon g-2 discrepancy. Estimates of signal significance are presented for various operational modes and parameter points. The experimental approach outlined for applying MiniBooNE to a light WIMP search may also be applicable to other neutrino facilities.

研究动机与目标

• 在直接探测实验无法触及的参数空间中，探测亚GeV量级的弱相互作用大质量粒子（WIMPs）。
• 利用MiniBooNE现有的探测器与束流基础设施，在其主要振荡实验项目结束后，实现新的物理目标。
• 探测可通过矢量媒介子$V_\mu$解决μ子g-2差异的WIMP模型。
• 利用相同配置探测轻质暗物质候选者，如暗光子、轴子和para-光子。
• 通过展示在费米国家加速器实验室等固定靶加速器上探测轻质WIMPs的可行性，为未来专用实验铺平道路。

提出的方法

• 将MiniBooNE运行在束流靶外模式，将质子束流导向靶体之外的铍靶，以最小化中微子产生。
• 在靶体下游部署25米吸收体，通过吸收残余束流粒子，进一步抑制中微子本底。
• 利用大型电磁响应探测器（距离靶体500米）探测WIMP散射引起的低能核或电子反冲信号。
• 利用时间信息区分WIMP信号与残余本底，提升信噪比。
• 利用先前中微子振荡分析中已有的粒子识别工具与探测器响应标定，实现快速信号提取。
• 对数据进行重新处理，并开展额外的蒙特卡罗模拟，以基于2.0 × 10^20 POT推导出WIMP灵敏度极限。

实验结果

研究问题

• RQ1 MiniBooNE能否利用其现有基础设施与束流配置，实现对低质量WIMPs（10–200 MeV）的灵敏度？
• RQ2 部署25米吸收体在多大程度上可降低中微子本底并增强WIMP探测灵敏度？
• RQ3 MiniBooNE探测器是否具备探测与解决μ子g-2差异相关质量范围WIMP信号的能力？
• RQ4 在该质量范围内，MiniBooNE对WIMP-核子与WIMP-电子散射截面的投影灵敏度如何？
• RQ5 束流靶外运行结合吸收体部署的技术能否推广至费米国家加速器实验室Project X未来的实验？

主要发现

• MiniBooNE可实现对低质量WIMPs（10–200 MeV）的灵敏度，其参数空间与热退耦合暗物质丰度要求重叠。
• 在束流靶外模式下运行2.0 × 10^20 POT并部署25米吸收体，将显著降低中微子本底，增强WIMP探测灵敏度。
• 灵敏度可达到WIMP模型中通过矢量媒介子$V_\mu$解决μ子$g-2$差异的区域。
• 鉴于高度关注与成熟的分析框架，预计该实验将产出一到两篇关于WIMP极限或潜在信号的论文。
• 探测器与束流线已证明长期稳定性，备件与人员充足，可支持至2014年为期两年的运行。
• 具备远程操控能力，预计28名合作者每月约需承担3个班次的运行负担，确保运行可行性。