[论文解读] Probing hidden sectors with a muon beam: Implication of spin-0 dark matter mediators for the muon (g-2) anomaly and the validity of the Weiszäcker-Williams approach

H. Sieber, D. Kirpichnikov+7 more|arXiv (Cornell University)|May 15, 2023

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 1

一句话总结

本文研究了与μ子耦合并在固定靶实验中通过μ子轫致辐射产生的自旋-0暗物质媒介子（标量与伪标量）。利用Weiszäcker-Williams近似，推导出这些过程的精确微分截面，结果显示与精确树图计算结果在5%以内一致，并将该形式化方法应用于NA64μ实验的灵敏度预测，证明其能够探测μ子（g−2）异常区域及热退耦暗物质参数空间，对应靶上10^11–10^13个μ子。

ABSTRACT

In addition to vector ($V$) type new particles extensively discussed previously, both CP-even ($S$) and CP-odd ($P$) spin-0 Dark Matter (DM) mediators can couple to muons and be produced in the bremsstrahlung reaction $μ^- + N ightarrow μ^- + N + S(P)$. Their possible subsequent invisible decay into a pair of Dirac DM particles, $S(P) o χ\overlineχ$, can be detected in fixed target experiments through missing energy signature. In this paper, we focus on the case of experiments using high-energy muon beams. For this reason, we derive the differential cross-sections involved using the phase space Weiszäcker-Williams approximation and compare them to the exact-tree-level calculations. The formalism derived can be applied in various experiments that could observe muon-spin-0 DM interactions. This can happen in present and future proton beam-dump experiments such as NA62, SHIP, HIKE, and SHADOWS; in muon fixed target experiments as NA64$μ$, MUoNE and M3; in neutrino experiments using powerful proton beams such as DUNE. In particular, we focus on the NA64$μ$ experiment case, which uses a 160 GeV muon beam at the CERN Super Proton Synchrotron accelerator. We compute the derived cross-sections, the resulting signal yields and we discuss the experiment projected sensitivity to probe the relic DM parameter space and the $(g-2)_μ$ anomaly favoured region considering $10^{12}$ and $10^{13}$ muons on target.

研究动机与目标

• 研究高能μ子固定靶实验中自旋-0暗物质媒介子（标量与伪标量）的产生。
• 将Weiszäcker-Williams近似在自旋-0媒介子产生中的应用与精确树图计算进行验证。
• 推导用于暗区搜索中蒙特卡洛模拟的改进型解析微分截面公式。
• 预测NA64μ实验对μ子（g−2）异常偏好区域及原始暗物质参数空间的灵敏度。
• 将该形式化方法扩展至NA62、SHIP、DUNE和M3等其他实验。

提出的方法

• 利用Weiszäcker-Williams近似推导μN → μN S(P)的微分截面。
• 将Weiszäcker-Williams结果与精确树图计算结果对比，评估其准确性。
• 在Weiszäcker-Williams框架下提出一种新型解析微分截面公式，以提升模拟效率。
• 使用CERN的160 GeV μ子束，将该形式化方法应用于NA64μ实验。
• 计算10^11和10^13个μ子在靶上的信号产额与投影灵敏度。
• 将结果集成至基于Geant4的DMG4暗物质模拟软件包中，实现真实事件建模。

实验结果

研究问题

• RQ1 Weiszäcker-Williams近似在μ子轫致辐射中对自旋-0媒介子产生的精确树图截面的重现精度如何？
• RQ2 在自旋-0媒介子参与下，NA64μ实验对（g−2）μ异常偏好区域的灵敏度如何？
• RQ3 所推导的解析微分截面是否能提升暗区搜索中蒙特卡洛模拟的效率与准确性？
• RQ4 在10^11和10^13个μ子在靶的μ子束靶实验中，标量与伪标量媒介子的投影信号产额是多少？
• RQ5 该结果如何适用于NA62、SHIP、DUNE和M3等其他固定靶实验？

主要发现

• Weiszäcker-Williams近似对自旋-0媒介子产生的精确树图截面再现精度达到≲5%。
• 所提出的新型解析微分截面公式可实现更快、更精确的暗玻色子辐射蒙特卡洛模拟。
• 当靶上μ子数为10^11时，NA64μ可探测标量媒介子场景下的（g−2）μ异常偏好区域。
• 当靶上μ子数为10^13时，NA64μ对自旋-0媒介子的热退耦暗物质参数空间具备探测灵敏度。
• 该形式化方法可直接应用于当前及未来的实验，包括NA64μ、NA62、SHIP、HIKE、SHADOWS、DUNE和M3。
• 本研究证实了μ子束作为弱耦合隐藏区探测手段的可行性，尤其针对自旋-0暗物质媒介子。