Наблюдаемые и ожидаемые контуры исключения при 90% CL в плоскости (MA', ε) для комбинированных анализов A' → e+e- и A' → μ+μ- (справа) вместе с ожидаемым +/-1σ (зеленый цвет). ) и +/-2σ (желтые) полосы. Предыдущие результаты отображаются серым цветом. Результат NA62 A′ → µ+μ− показан штрихпунктирной линией в правом поле. Фото предоставлено: сотрудничество NA62.
Темные фотоны — это гипотетические частицы, которые похожи на яркие частицы (то есть фотоны), но лишь слабо взаимодействуют с обычной материей, что сделало бы их невозможным или очень трудным для обнаружения с помощью традиционных экспериментальных методов. Эти частицы являются кандидатами на темную материю, то есть они могут вносить вклад в невидимую и неуловимую форму материи, которая составляет около 85% массы Вселенной.
Коллаборация NA62, крупная исследовательская группа ученых из различных институтов по всему миру, опубликовала результаты нового поиска темных фотонов, в частности их лептонных распадов. Их результаты, опубликованные в Physical Review Letters, были получены путем анализа данных, собранных детектором NA62 в ЦЕРН, который был настроен в режиме сброса луча.
«Поиск темной материи в настоящее время является одной из самых горячих тем в сообществе физиков высоких энергий. «Мы ищем слабо взаимодействующие частицы в ряде различных установок, от экспериментов на ускорителях до настольных лабораторных установок», — рассказали Phys.org Алина Клейменова и Стефан Гинеску, участник коллаборации NA62.
«В то время как эксперименты на БАК полагаются на высокую энергию столкновения, разбивая протоны с энергией около 14 триллионов электрон-вольт, эксперимент NA62 с фиксированной целью фокусируется на подходе высокой интенсивности с одним триллионом (1018) протонов в год на мишени. «Такая интенсивность создает уникальную возможность изучать различные редкие процессы и сценарии, выходящие за рамки Стандартной модели».
Темные фотоны, также известные как A', относятся к числу гипотетических частиц за пределами Стандартной модели, существование которых можно было бы исследовать с помощью детектора NA62. Эти частицы могут выступать в качестве посредников между известной видимой материей и темной материей.
В частности, темные фотоны могут соединяться с обычной материей, поскольку они могут смешиваться с фотонами, описанными в Стандартной модели. Однако связь будет чрезвычайно слабой, что объясняет, почему они до сих пор не обнаружены.
«Это слабое взаимодействие приводит к длительному сроку жизни, а это означает, что в среде NA62 A' будет путешествовать от десятков сантиметров до сотен метров, прежде чем распадется», — сказали Клейменова и Гинеску.
«Если темный фотон является самой яркой частицей темной материи и имеет массу менее 700 МэВ, теоретически он распадется в основном на лептонные пары, такие как электроны или мюоны. NA62 имеет все необходимые компоненты для потенциального наблюдения этого распада. Сигнатуры характеризуются очень длинной линией луча (более 80 м от мишени до объема распада), точными системами отслеживания, синхронизации и идентификации частиц, а также способностью собирать данные практически в фоновом режиме. свободный режим».
Основной целью текущего исследования коллаборации NA62 было исследование чувствительности детектора NA62 в ЦЕРН к распаду темных фотонов. Анализируя данные, собранные детектором, когда он был настроен в так называемом режиме дампа, команда надеялась идентифицировать сигналы, которые могли быть связаны с темными фотонами.
Фото предоставлено: сотрудничество NA62.
«NA62 — это эксперимент Каона, посвященный прецизионным измерениям и изучению редких распадов Каона», — пояснили авторы. «Эксперимент также можно проводить в «режиме сброса». В этом режиме мы можем удалить мишень, используемую для генерации каонов, и направить пучок протонов с энергией 400 ГэВ с удвоенной интенсивностью на поглотитель».
Теоретические предсказания предполагают, что взаимодействия между протонами и материалом свалки в детекторе NA62 могут производить различные частицы в скрытых секторах светового спектра с массами около 1 ГэВ, включая темные фотоны. Эти частицы могли затем переместиться в инструментальную зону эксперимента NA62 и распасться там.
«В нашем анализе мы ищем событие, в котором только два противоположно заряженных лептонных трека образуют вершину внутри инструментальной области NA62», — сказали авторы. «Поскольку это событие должно произойти в результате столкновения протонной свалки, мы прослеживаем двухлептонную вершину на расстоянии 80 метров до передней плоскости поглотителя и проверяем, совместимо ли это прослеженное положение с положением первичной точки взаимодействия протонов».
В рамках своего текущего исследования исследователи проанализировали выборку данных размером 1,4×1017 протонов на свалке, которую детектор NA62 собрал в 2021 году. Однако теперь детектор собрал дополнительные данные, и ожидается, что к концу эксперимента NA62 на свалке будет около 1018 протонов.
«К сожалению, мы не нашли никаких доказательств существования темных фотонов, но нам удалось исключить новые области в пространстве параметров массы темных фотонов и силы взаимодействия», — сказали авторы. «Кроме того, наши результаты могут быть переосмыслены в других моделях, например, с аксионоподобными частицами».
Хотя команда еще не обнаружила распада темных фотонов, их недавние открытия могут повлиять на будущие поиски этих неуловимых частиц. Клейменова, Гинеску и их коллеги сейчас работают над объединением своих результатов с результатами совместного адронного анализа конечного состояния.
«Эти текущие усилия завершат комплексный поиск медиаторов темной материи с использованием данных, собранных NA62 в 2021 году», — добавляют авторы.
«Наша конечная цель — распространить этот анализ на весь набор данных дампа NA62. Кроме того, существует несколько других сценариев со скрытыми секторами, которые может исследовать NA62, например, тяжелые нейтральные лептоны (HNL). HNL особенно интересны, потому что они могут решить несколько ключевых проблем в физике элементарных частиц и космологии, таких как происхождение масс нейтрино, асимметрия материи-антиматерии во Вселенной и природа темной материи».
