[论文解读] Millicharged Particles from the Heavens: Single- and Multiple-Scattering Signatures

C. Argüelles, Kevin J. Kelly+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2021

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 105被引用 33

一句话总结

本文提出了一种利用大气宇宙射线簇射探测渺电荷粒子（MCPs）的新型搜索策略，重点研究大体积探测器中单次与多次散射的信号特征。结果表明，多次散射事件——即MCPs与多个电子发生散射——可作为与束流实验互补的强有力信号，显著提升JUNO、超级神冈和冰立方等实验对MeV–GeV能区MCPs的探测灵敏度。

ABSTRACT

For nearly a century, studying cosmic-ray air showers has driven progress in our understanding of elementary particle physics. In this work, we revisit the production of millicharged particles in these atmospheric showers and provide new constraints for XENON1T and Super-Kamiokande and new sensitivity estimates of current and future detectors, such as JUNO. We discuss distinct search strategies, specifically studies of single-energy-deposition events, where one electron in the detector receives a relatively large energy transfer, as well as multiple-scattering events consisting of (at least) two relatively small energy depositions. We demonstrate that these atmospheric search strategies — especially the multiple-scattering signature — provide significant room for improvement beyond existing searches, in a way that is complementary to anthropogenic, beam-based searches for MeV-GeV millicharged particles. Finally, we also discuss the implementation of a Monte Carlo simulation for millicharged particle detection in large-volume neutrino detectors, such as IceCube.

研究动机与目标

• 重新评估宇宙射线空气簇射中渺电荷粒子（MCPs）的产生过程，并改进通量建模。
• 评估MCPs穿过地球时的传播特性，包括能量损失与衰减效应。
• 利用单次与多次散射信号特征，预测当前及未来探测器的灵敏度提升。
• 为冰立方等大型中微子望远镜中的MCP探测开发蒙特卡洛模拟技术。
• 证明多次散射事件可作为MCP探测的互补且强有力的信号，尤其适用于低阈值、高分辨率探测器。

提出的方法

• 使用详细的蒙特卡洛模拟，建模宇宙射线簇射中中性介子衰变产生的MCPs。
• 采用Sibyll 2.3c和QGSJET-II-04强子相互作用模型，模拟大气簇射的演化过程。
• 实现MCPs在地壳中传播的能量损失与衰减模型，考虑电离损失与辐射损失。
• 为液闪与水切伦科夫探测器中的单次与多次散射事件建立信号与背景模型。
• 将PROPOSAL代码（用于带电粒子传播）适配用于模拟MCP轨迹与能量沉积。
• 基于真实的探测器响应函数与能量阈值考虑，投影JUNO、超级神冈和冰立方的探测灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 强子相互作用模型的不确定性如何影响大气簇射中MCP通量的预测？
• RQ2 在考虑能量损失与衰减效应后，MCPs穿过地球后可探测到的通量是多少？
• RQ3 单次与多次散射信号特征在探测MeV–GeV能区MCPs时，灵敏度如何比较？
• RQ4 多次散射事件是否能在大体积探测器中提供稳健且低背景的MCP探测信号？
• RQ5 未来实验（如JUNO与Hyper-Kamiokande）通过大气产生机制探测MCPs的预期灵敏度如何？

主要发现

• 多次散射事件——即MCPs与两个或以上电子发生散射——具有高度独特的信号特征，背景极低，显著提升探测灵敏度。
• JUNO通过多次散射探测MCPs的灵敏度在质量低于~1 GeV时超过束流实验，尤其在100 MeV至1 GeV能区表现更优。
• 对于超级神冈，多次散射信号相比单次散射极限，灵敏度提升可达2.5倍，尤其在ε ~ 10−6–10−5区间。
• 本研究基于单次散射事件，为XENON1T与超级神冈提供了新的、更严格的MCP约束，优于以往结果。
• 开发并验证了一套新的蒙特卡洛模拟框架，适用于冰立方中MCP探测，可支持未来在100 MeV–1 GeV质量范围内的搜索。
• 研究表明，大气MCP搜索在灵敏度上可与束流实验媲美甚至更优，尤其适用于低电荷、低质量粒子。