[论文解读] Proposal to Search for Heavy Neutral Leptons at the SPS

W. Bonivento, Alexey Boyarsky+14 more|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 13被引用 65

一句话总结

本文提出在CERN的SPS加速器上开展固定靶实验，通过粲介子衰变搜寻重希格斯中性费米子（HNLs），利用带有磁谱仪、量能器和μ子系统的探测器重建HNL衰变并测量其质量。该实验旨在将对质量低于2 GeV的HNLs的探测灵敏度提升四个数量级，覆盖此前实验无法触及的大部分宇宙学 favored 参数空间。

ABSTRACT

A new fixed-target experiment at the CERN SPS accelerator is proposed that will use decays of charm mesons to search for Heavy Neutral Leptons (HNLs), which are right-handed partners of the Standard Model neutrinos. The existence of such particles is strongly motivated by theory, as they can simultaneously explain the baryon asymmetry of the Universe, account for the pattern of neutrino masses and oscillations and provide a Dark Matter candidate. Cosmological constraints on the properties of HNLs now indicate that the majority of the interesting parameter space for such particles was beyond the reach of the previous searches at the PS191, BEBC, CHARM, CCFR and NuTeV experiments. For HNLs with mass below 2 GeV, the proposed experiment will improve on the sensitivity of previous searches by four orders of magnitude and will cover a major fraction of the parameter space favoured by theoretical models. The experiment requires a 400 GeV proton beam from the SPS with a total of 2x10^20 protons on target, achievable within five years of data taking. The proposed detector will reconstruct exclusive HNL decays and measure the HNL mass. The apparatus is based on existing technologies and consists of a target, a hadron absorber, a muon shield, a decay volume and two magnetic spectrometers, each of which has a 0.5 Tm magnet, a calorimeter and a muon detector. The detector has a total length of about 100 m with a 5 m diameter. The complete experimental set-up could be accommodated in CERN's North Area. The discovery of a HNL would have a great impact on our understanding of nature and open a new area for future research.

研究动机与目标

• 在先前未探索的参数空间中搜寻重希格斯中性费米子（HNLs），即标准模型中微子的右手中性费米子伙伴。
• 解决标准模型的关键缺陷，包括中微子质量起源、宇宙中子素不对称性以及暗物质问题。
• 与以往固定靶实验（如CHARM和NuTeV）相比，将对HNLs的实验灵敏度提高四个数量级。
• 探测HNL参数空间中宇宙学 favored 的区域，特别是质量低于2 GeV且混合强度$U^2_\mu$在$10^{-7}$至$10^{-9}$之间的区域。

提出的方法

• 使用SPS加速器提供的400 GeV质子束流，在五年内实现$2 \times 10^{20}$质子/靶，以产生粲介子。
• 采用由靶、强子吸收体、μ子屏蔽、衰变室以及两个磁谱仪组成的探测器系统，每个磁谱仪配备0.5 Tm磁铁、量能器和μ子探测器。
• 通过粒子识别和动量重建技术，重建HNL的独占衰变并测量其质量。
• 利用现有探测器技术，最大限度减少研发需求，使中等规模合作团队可在数年内完成建设。
• 利用量能器中的$p_T$分布和基于现有400 GeV pCu数据的模拟，测量来自粲介子衰变的中微子通量。
• 与CERN机器专家合作设计束流线和辐射防护方案，确保实验的可行性与安全性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在SPS加速器上开展的固定靶实验能否实现比CHARM和NuTeV等以往实验高四个数量级的HNLs探测灵敏度？
• RQ2 质量低于2 GeV且$U^2_\mu \sim 10^{-7}$至$10^{-9}$的HNLs在宇宙学 favored 参数空间是否可通过SPS上新探测器实现探测？
• RQ3 能否通过独占衰变道中的粒子识别和不变质量重建，将HNL信号与背景有效区分？
• RQ4 与未来的LHC基实验或FNAL、KEK等其他固定靶设施相比，所提出的SPS实验预期灵敏度如何？
• RQ5 基于现有技术的探测器设计是否可在数年内实现，并满足所需束流与辐射条件？

主要发现

• 所提出的实验对质量低于2 GeV的HNLs探测灵敏度相比以往搜索提升了四个数量级。
• 该实验覆盖了理论模型所青睐的HNL参数空间的大部分区域，尤其在$U^2_\mu \sim 10^{-7}$至$10^{-9}$范围内。
• 该实验有望探测此前PS191、BEBC、CHARM、CCFR和NuTeV无法触及的、具有宇宙学相关性的HNL参数空间区域。
• 在$2 \times 10^{20}$质子/靶的条件下，来自粲介子衰变的HNL通量预计足以实现发现，该数据量可在五年内获取。
• 基于现有技术和模块化谱仪的探测器设计是可行的，且无需重大研发阶段。
• 与LHC基实验相比，SPS实验具有更优的灵敏度，后者预计事件率仅约为SPS实验的1/200，原因在于更小的产生截面和不利的几何构型。