2021 Fiscal Year Annual Research Report

Searching for dark matter at fixed target experiments using electron positron beams

Publicly Offered Research

Project Area	What is dark matter? - Comprehensive study of the huge discovery space in dark matter
Project/Area Number	21H05466
Research Institution	High Energy Accelerator Research Organization
Principal Investigator	坂木泰仁大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 放射線科学センター, 助教 (80847244)
Project Period (FY)	2021-09-10 – 2023-03-31
Keywords	ビームダンプ実験 / 暗黒物質 / アクシオン / モンテカルロシミュレーション / 放射線遮蔽
Outline of Annual Research Achievements	2012年にLHC実験によってヒッグス粒子が発見され素粒子標準模型は完成した。しかし、発見が期待されていた100GeVオーダー以上の質量をもつ「重い」粒子は発見されていない。そこで、MeVからGeV程度の質量をもつ「軽い」未知の粒子の発見に関して、ビームダンプ実験によりアプローチし、世界最高感度を目指す。本年度では、KEKで利用可能な電子・陽電子ビームを想定したビームダンプ実験を提案し論文として発表した。結果として、ビームダンプのシールドの構造とビーム条件を最適化することで、欧米の加速器施設で提案されている他の実験と比べ、アクシオンに対して高い発見感度が得られることを示した。特に、短いシールドを用いることで、過去の実験とすでに提案されている将来実験でも探ることができないタイプのアクシオンに対しても発見感度があることを明らかにした。その後、シミュレーションの高度化を継続しつつ、実験の実現のために協力研究者を募り着々と増員できている。また、KEK第３スイッチヤードを実験エリアとして利用することを想定しているため、KEK入射器グループとコミュニケーションをとり協力体制の構築を図っている。実験に必要な物品としてKEK内で再利用できるものを探し出し、テスト実験用のセットアップの設計を進めている。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 1: Research has progressed more than it was originally planned. Reason アクシオンを始めとするMeVからGeV程度の様々な新粒子の探索のため、まずはテスト実験を成功させる必要がある。現在、そのための準備が非常に順調に進んでおり、来年度の早い段階でテスト実験を実施できる可能性が高まってきた。必要な物品はほぼ揃い、KEK入射器グループとの協力体制も構築できている。
Strategy for Future Research Activity	テスト実験を成功させ、最初のデータ取得を目指す。実験に必要な物品を揃え、シミュレーションを元に、実現可能かつ最適な実験セットアップを設計する。KEKで新設されたPF-ARテストビームラインで検出器の校正を行う。テスト実験では特に、実験エリアにおけるバックグラウンドスタディを主な目的とし、アクシオン解析につながりうるデータ取得を目指す。また、アクシオン以外の未知粒子の発見可能性、特にミューオンg-2に関連したものについて検討する。さらに、テスト実験後のメイン実験で必要となる、ギャップの大きい双極子磁石に関する情報を集める。