[论文解读] SHADOWS (Search for Hidden And Dark Objects With the SPS)

W. Baldini, A. Balla+21 more|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 18被引用 12

一句话总结

SHADOWS 在 CERN 的 SPS 提出了一项束流打靶实验，利用 400 GeV 质子束在 MeV–GeV 范围内搜索弱相互作用粒子（FIPs），借助现有的 P42 束流线和 NA62 设施。该实验旨在探索此前未被探测的参数空间，与当前限制相比，将 FIP 耦合常数的灵敏度提升 1–4 个数量级，有望发现暗物质 sector 粒子或轻规范玻色子。

ABSTRACT

We propose a new beam-dump experiment, SHADOWS, to search for a large variety of feebly-interacting particles possibly produced in the interactions of a 400 GeV proton beam with a high-Z material dump. SHADOWS will use the 400 GeV primary proton beam extracted from the CERN SPS currently serving the NA62 experiment in the CERN North area and will take data off-axis when the P42 beam line is operated in beam-dump mode. SHADOWS can accumulate up to a ~2 x10^19 protons on target per year and expand the exploration for a large variety of FIPs well beyond the state-of-the-art in the mass range of MeV-GeV in a parameter space that is allowed by cosmological and astrophysical observations. So far the strongest bounds on the interaction strength of new feebly-interacting light particles with Standard Model particles exist up to the kaon mass; above this threshold the bounds weaken significantly. SHADOWS can do an important step into this still poorly explored territory and has the potential to discover them if they have a mass between the kaon and the beauty mass. If no signal is found, SHADOWS will push the limits on their couplings with SM particles between one and four orders of magnitude in the same mass range, depending on the model and scenario.

研究动机与目标

• 探索 MeV–GeV 范围内弱相互作用粒子（FIPs）的参数空间，特别是高于奇异夸克质量的区域，该区域现有约束较弱。
• 寻找可能解释宇宙学和粒子物理学难题的暗物质候选者、轴子样粒子（ALPs）、重中性轻子和轻标量粒子。
• 利用 CERN SPS 提供的 400 GeV 高强度质子束在束流打靶模式下运行，实现每年高达 2×10^19 个质子打靶。
• 在 1–5 GeV 范围内，将现有 FIP 与标准模型粒子耦合常数的限制显著提升 1–4 个数量级。
• 利用现有加速器基础设施和探测器技术，建立 FIP 搜索的新实验前沿。

提出的方法

• 在 CERN SPS 的 P42 束流线上运行，该束流线目前服务于 NA62 实验，将其转换为束流打靶模式，使用高原子序数靶材料通过质子相互作用产生 FIPs。
• 部署四站式 muon 系统，采用闪烁晶体板与 SiPM 读出技术，实现每块晶体板 250–300 ps 的时间分辨率，且探测效率超过 99.8%。
• 实施磁质子扫除系统与基于探测器的本底抑制技术，以减少 muon 引发的本底。
• 使用铁滤波器（约 3.0λ_I 厚度）吸收次级粒子，提升衰变区域的信号纯度。
• 集成上游 veto 系统，采用高颗粒度闪烁晶体板，用于标记残留 muon 并减少本底。
• 设计多组件探测器，包括追踪系统、时间测量系统、电磁与强子量能器，以及分段式 muon 系统，实现完整事例重建。

实验结果

研究问题

• RQ1 SHADOWS 是否能够发现质量介于奇异夸克与底夸克质量之间的新弱相互作用粒子（FIPs），该区域当前约束较弱？
• RQ2 SHADOWS 在 MeV–GeV 范围内，对 FIP 与标准模型粒子耦合强度的灵敏度可提升至何种程度？
• RQ3 束流打靶运行、磁质子扫除与主动 veto 系统的组合在多大程度上能有效抑制 muon 引发的本底？
• RQ4 SHADOWS 对暗物质 sector 粒子（如轴子样粒子 ALPs、轻标量粒子与重中性轻子）的物理探测能力如何？
• RQ5 SHADOWS 是否能够通过 FIP 的产生与探测，探测量解决强 CP 问题、中微子质量生成机制与重子不对称性问题的理论模型？

主要发现

• SHADOWS 每年可积累高达 2×10^19 个质子打靶，支持 MeV–GeV 范围内 FIP 的高精度搜索。
• 根据模型与情景不同，实验预计可将 FIP 与标准模型粒子耦合常数的限制提升 1–4 个数量级。
• 在 INFN Frascati 与 Bologna 的原型测试中，已验证采用 SiPM 读出的每块闪烁晶体板时间分辨率可达 250–300 ps。
• 采用 16 或 32 块晶体板模块以交错棋盘式排布的 muon 系统，可实现最小死区与均衡的机械负载。
• 通过磁质子扫除与主动 veto 系统的结合，实现有效本底抑制，将 muon 引发的本底降至可管理水平。
• 初步时间表计划在长停机期 3 期间安装，Run 4 初期开展预运行实验，并在 Run 5 时实现 5×10^19 个质子打靶的集成。