Результаты поиска для лептонных распадов темных фотонов исключают новые регионы

Наблюдаемые и ожидаемые контуры исключения при 90% CL в плоскости (MA′, ε) для объединенных анализов A′ → e+e− и A′ → μ+μ− (справа) вместе с ожидаемыми полосами +/-1σ (зеленый) и +/-2σ (желтый). Предыдущие результаты показаны серым цветом. Результат NA62 A′ → μ+μ− показан штрихпунктирной линией на правой панели. Автор: NA62 Collaboration.

Темные фотоны — это гипотетические частицы, которые напоминают легкие частицы (т. е. фотоны), но слабо взаимодействуют с обычной материей, что делает их невозможными или очень сложными для обнаружения с помощью обычных экспериментальных методов. Эти частицы являются кандидатами на темную материю, что означает, что они могут вносить вклад в невидимую и неуловимую форму материи, составляющую примерно 85% массы Вселенной.

Сотрудничество NA62, крупное исследовательское сотрудничество, включающее ученых из различных институтов по всему миру, опубликовало результаты нового поиска темных фотонов, в частности их лептонных распадов. Их выводы, опубликованные в Physical Review Letters, были получены путем анализа данных, собранных детектором NA62 в ЦЕРНе, настроенным в режиме сброса пучка.

«Поиски темной материи в настоящее время являются одной из горячих тем в сообществе физики высоких энергий. Мы ищем слабо взаимодействующие частицы в различных установках, начиная от экспериментов на ускорителях и заканчивая настольными лабораторными установками», — рассказали Phys.org Алина Клейменова и Стефан Гинеску, участники коллаборации NA62.

Темные фотоны, также называемые A', входят в число гипотетических частиц за пределами Стандартной модели, существование которых может быть исследовано детектором NA62. Эти частицы могут выступать в качестве посредников между известной видимой материей и темной материей.

В частности, темные фотоны могут связываться с обычной материей, поскольку они могут смешиваться с фотонами, описанными Стандартной моделью. Однако связь будет чрезвычайно слабой, что объясняет, почему они до сих пор не были обнаружены.

«Это слабое взаимодействие приводит к длительному времени жизни, то есть в условиях NA62 A' пройдет расстояние от десятых долей сантиметра до сотен метров, прежде чем распадется», — говорят Клейменова и Гинеску.

«Теоретически, если темный фотон является самой легкой частицей темной материи и имеет массу ниже примерно 700 МэВ, он в первую очередь распадется на лептонные пары, такие как электроны или мюоны. NA62 имеет все необходимые ингредиенты, чтобы иметь возможность увидеть эти сигнатуры распада, включая очень длинную линию пучка (более 80 м от цели до объема распада), точные системы отслеживания, синхронизации и идентификации частиц, а также возможность собирать эти данные в почти бесфоновом режиме».

Основной целью недавнего исследования, проведенного коллаборацией NA62, было изучение чувствительности детектора NA62 в ЦЕРНе к распадам 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.

Автор: NA62 Collaboration.

«NA62 — это эксперимент с каонами, посвященный точным измерениям и изучению редких распадов каонов», — пояснили авторы. «Эксперимент также может работать в «режиме сброса». В этом режиме мы можем удалить мишень, используемую для производства каонов, и сбросить пучок протонов 400 ГэВ на поглотитель с интенсивностью, вдвое превышающей обычную».

Теоретические предсказания предполагают, что взаимодействия между протонами и материалом сброса в детекторе NA62 могут производить различные частицы в скрытых секторах светового спектра с массами около 1 ГэВ, включая темные фотоны. Эти частицы затем могут перемещаться и распадаться в инструментальной области эксперимента NA62.

«В нашем анализе мы ищем событие только с двумя противоположно заряженными лептонными треками, которые образуют вершину внутри области, контролируемой NA62», — говорят авторы. «Поскольку это событие должно происходить из-за столкновения протонов со сбросом, мы отслеживаем двухлептонную вершину на 80 метров назад к передней плоскости поглотителя и проверяем, совместимо ли это отслеженное положение с местоположением точки первичного взаимодействия протонов».

В рамках своего недавнего исследования ученые проанализировали выборку данных из 1,4× ¹⁰¹⁷ протонов на сбросе, собранную детектором NA62 в 2021 году. Тем временем детектор собрал дополнительные данные и, как ожидается, достигнет примерно ¹⁰¹⁸ протонов на сбросе к концу эксперимента NA62.

«К сожалению, мы не нашли никаких доказательств существования темных фотонов, но нам удалось исключить новые области в пространстве параметров массы и силы взаимодействия темных фотонов», — говорят авторы. «Кроме того, наши результаты можно переосмыслить в рамках других моделей, например, включающих аксионоподобные частицы».

Хотя команда пока не обнаружила распады темных фотонов, их последние открытия могут дать информацию для будущих поисков этих неуловимых частиц. Клейменова, Гинеску и их коллеги сейчас работают над объединением своих результатов с результатами анализа конечных состояний адронов, проведенного коллаборацией.

«Эта текущая работа завершит 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, есть еще несколько сценариев скрытого сектора, которые может исследовать NA62, например, тяжелые нейтральные лептоны (HNL). HNL особенно интересны, поскольку они могут решать несколько ключевых проблем в физике элементарных частиц и космологии, таких как происхождение масс нейтрино, асимметрия материи-антиматерии во Вселенной и природа темной материи».

Больше информации: E. Cortina Gil et al, Search for Leptonic Decays of Dark Photons at NA62, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.111802.