暗光子轻子衰变的搜索结果成功排除了新的区域
暗光子是一种假想粒子，它与光粒子（即光子）类似，但与普通物质的相互作用较弱，因此无法或很难用常规实验方法探测到它们。这些粒子是暗物质的候选者，这意味着它们可能构成一种看不见、难以捉摸的物质，约占宇宙质量的 85%。NA62 合作组织是一个大型研究合作组织，由来自世界各地的多个研究所的科学家参与，该组织发表了一项新的暗光子研究成果，特别是其轻子衰变。他们的研究结果发表在《物理评论快报》上，是通过分析 CERN 的 NA62 探测器在光束收集模式下收集的数据得出的。
“暗物质搜索是目前高能物理界的热门话题之一。我们在从加速器实验到桌面实验室装置等多种不同设施中寻找弱相互作用粒子，”NA62 合作小组成员 Alina Kleimenova 和 Stefan Ghinescu 告诉 Phys.org。
“虽然 LHC 实验依赖于高碰撞能量，以大约 14 万亿电子伏特的速度粉碎质子，但 NA62 是一个固定目标实验，专注于高强度方法，每年以一千万亿（10 18）个质子为目标。这种强度为探索各种罕见过程和超出标准模型的情景创造了独特的机会。”
暗光子，也称为 A'，是标准模型之外的假想粒子之一，可以通过 NA62 探测器探测其存在。这些粒子可以充当已知可见物质和暗物质之间的介质。
具体来说，暗光子可能与普通物质耦合，因为它们可以与标准模型描述的光子混合。然而，这种耦合非常弱，这可以解释为什么它们至今还没有被探测到。
“这种微弱的相互作用意味着较长的寿命，这意味着在 NA62 环境中，A' 会在衰变之前传播十分之一厘米到数百米，”Kleimenova 和 Ghinescu 说。
“理论上，如果暗光子是最轻的暗物质粒子，其质量低于约 700 MeV，它将主要衰变成轻子对，例如电子或μ子。NA62 拥有能够看到这些衰变特征的所有必要要素，包括非常长的光束线（从目标到衰变体积超过 80 米）、精确的跟踪、计时和粒子识别系统，以及在几乎无背景模式下收集这些数据的可能性。”
NA62 合作组织最近研究的主要目标是调查 CERN 的 NA62 探测器对暗光子衰变的灵敏度。通过分析探测器在所谓的转储模式下收集的数据，该团队希望识别可能与暗光子相关的信号。
“NA62 是一个专门用于精确测量和研究罕见的 K 介子衰变的 K 介子实验，”作者解释道。“该实验还可以在‘转储模式’下运行。在这种模式下，我们可以移除用于产生 K 介子的靶，并将 400 GeV 质子束以两倍于通常强度的强度转储到吸收器上。”
理论预测表明，质子与 NA62 探测器中的残留物质之间的相互作用可能会在光谱的隐藏部分产生各种粒子，质量约为 1 GeV，包括暗光子。这些粒子随后可以在 NA62 实验的仪器区域内传播和衰变。
“我们在分析中寻找的是只有两个带相反电荷的轻子轨迹的事件，它们在 NA62 仪器区域内形成一个顶点，”作者说。“由于这一事件应该源自质子倾倒碰撞，我们将两个轻子顶点追溯到吸收器前平面 80 米处，并检查这个追踪位置是否与主要质子相互作用点的位置相符。”
作为他们最近研究的一部分，研究人员分析了 NA62 探测器在 2021 年收集的 1.4×10 17 个质子的数据样本。然而与此同时，该探测器还收集了更多数据，预计到 NA62 实验结束时，质子的数量将达到约 10 18 个。
“不幸的是，我们没有发现任何暗光子的证据，但我们设法排除了暗光子质量和相互作用强度参数空间中的新区域，”作者说。“此外，我们的结果可以在其他模型中重新解释，例如涉及轴子类粒子的模型。”
虽然该团队尚未探测到暗光子衰变，但他们最近的发现可能会为未来寻找这些难以捉摸的粒子提供参考。Kleimenova、Ghinescu 及其同事目前正致力于将他们的研究结果与合作的强子终态分析结果结合起来。
作者补充道：“当前的努力将利用 NA62 在 2021 年收集的数据完成对暗物质介质的全面搜索。”
“我们的最终目标是将这种分析扩展到整个 NA62 转储数据集。此外，还有一些隐藏扇区场景可以通过 NA62 进行研究，例如重中性轻子 (HNL)。HNL 特别有趣，因为它们可以解决粒子物理学和宇宙学中的几个关键问题，例如中微子质量的起源、宇宙中的物质-反物质不对称以及暗物质的性质。”
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