Búsquedas de Fotones Oscuros Utilizando Vértices Desplazados en Colisionadores de Baja Energía

Resumen

La existencia de una nueva partícula masiva, similar a un fotón, el fotón oscuro,se postula en varias extensiones del Modelo Estándar. Estos modelos son a menudo defendidos para explicar algunas observaciones astrofísicas recientes y desconcertantes, así como para resolver la desviación hasta ahora inexplicable entre los valores medidos y calculados de la anomalía de muones. Los fotones oscuros se pueden producir en colisionadores tanto en eventos continuos como en transiciones mesónicas vectoriales y eventualmente pueden decaer en un par electrón-positrón. Para una elección adecuada de los parámetros de la teoría,a puede tener una vida útil relativamente larga y, por lo tanto, puede ser observado como un vértice bien separado por el punto de interacción primario. Este caso se discute en referencia a colisionadores de muy alta luminosidad, ya sea en construcción o en estudio en varios laboratorios en el mundo. Se ha demostrado que una estrategia de búsqueda basada en la detección de vértices desplazados puede ser, en principio, muy eficaz para cubrir una región bastante amplia y hasta la fecha inexplorada del espacio de parámetros teóricos.

1. Introducción

En el Modelo Estándar (SM), las interacciones entre partículas elementales están mediadas por los bosones vectores de las fuerzas fuertes, débiles y electromagnéticas. La evidencia experimental de la existencia de esos bosones es convincente y en las últimas décadas se han acumulado mediciones precisas de sus propiedades. Las nuevas fuerzas pueden haber escapado a la detección hasta el momento, ya sea si sus bosones asociados son muy pesados o si sus acoplamientos a la materia ordinaria son lo suficientemente débiles. Este último caso se ha defendido, entre otros, en modelos que tratan de explicar y reconciliar entre ellos varias observaciones astrofísicas desconcertantes realizadas en los últimos años . A veces también se utilizan para conciliar el valor medido de la anomalía de muones con la predicción de SM, que difieren aproximadamente en 3,5 (véase, por ejemplo,).

Si existen bosones nuevos, ligeros y neutros (que a partir de ahora se llamarán fotones oscuros) y si son mensurables, aunque débilmente, junto con partículas SM, se pueden producir y observar en rayos colisionantes y experimentos con objetivos fijos . De hecho, ha habido varios intentos de observar evidencia de tales partículas, utilizando datos de instalaciones en funcionamiento o experimentos antiguos de minería de datos . Dado que no se encontró evidencia de su existencia, se han establecido límites en función de la masa y de su acoplamiento a la materia ordinaria.

En un futuro próximo, se espera que los nuevos experimentos en construcción amplíen esos límites en una región de acoplamientos y / o masas hasta ahora inexploradas. Todos ellos están diseñados para explotar la producción radiativa de un haz de electrones o positrones muy intenso en un objetivo alto correctamente construido . El propósito de la presente carta es mostrar que se pueden obtener resultados comparables con colisionadores de electrones y positrones de alta luminosidad y baja energía, como los que se están construyendo o estudiando en varios laboratorios en el mundo . Estas instalaciones aprovecharán dos características de construcción principales que conspiran coherentemente para mejorar su potencial de descubrimiento: su muy alta luminosidad de objetivo y el uso de vigas muy compactas (estas dos características están, de hecho, fuertemente correlacionadas). En realidad, la alta luminosidad se traduce en la posibilidad de sondear secciones transversales de producción más bajas, es decir, acoplamientos efectivos más bajos entre la materia y la ordinaria. Por otro lado, los acoplamientos bajos se traducen en trayectorias de desintegración más largas, especialmente para masas bajas. Por lo tanto, el uso de haces de dimensiones muy pequeñas permite obtener una señal clara al observar vértices secundarios de una masa invariante bien definida, bien separados por el punto de interacción de los haces.

En el artículo, este caso se discutirá para tres opciones diferentes de energía del centro de masa de la máquina, que corresponden, respectivamente, a la masa de los mesones (1020), (1S) y (4S). Esta elección está motivada por los proyectos mencionados anteriormente. Se demostrará que se favorecen las máquinas de mayor energía, no solo porque se espera que entreguen conjuntos de datos más grandes, sino también porque las que se producen tienen trayectorias de desintegración más largas, ceteris paribus. Sin embargo, los efectos instrumentales desempeñan un papel relevante en la estrategia de detección real y, en algunos casos, pueden reducir drásticamente el potencial de descubrimiento del método. Aún así, en particular para el caso de una fábrica de gran luminosidad y encanto, sigue siendo lo suficientemente alta como para ser competitiva con los experimentos de objetivos fijos mencionados anteriormente.

El documento está organizado de la siguiente manera. En primer lugar, se discute el marco teórico del trabajo, junto con una breve presentación de los límites experimentales sobre la existencia de fotones oscuros obtenidos hasta el momento. El caso de las búsquedas en colisionadores de baja energía y alta luminosidad se discute en la Sección 3, seguido de algunas consideraciones sobre la implementación real del método propuesto en instalaciones existentes o planificadas. Las desintegraciones del mesón vectorial radiativo se discuten en la Sección 5. Las conclusiones figuran en la sección 6.

2. Caso de física

En muchos escenarios de física nuevos, el SM se extiende simplemente agregando una simetría adicional, bajo la cual las partículas SM no se cargan en primer orden . El bosón de gauge asociado a la nueva simetría, el , todavía puede interactuar con la materia ordinaria a través de una mezcla cinética descrita por un Lagrangiano de interacción efectiva. Consider Where denota el campo. El factor de mezcla cinético parametriza la fuerza de acoplamiento en relación con la carga eléctrica y se predice en varios modelos que está en el rango . La masa del fotón oscuro descansa imprevistos. Por razones fenomenológicas, sin embargo, se favorecen las masas en la gama MeV–GeV, que son de interés para el presente trabajo.

Puede haber partículas de materia no-SM que sean sensibles a la nueva interacción. A menudo se postula que son el componente principal del componente de materia oscura del universo (DM) aún no descubierto y, por lo tanto, deben ser eléctricamente neutros y estables. Si se permite cinemáticamente, la voluntad decae preferiblemente en pares de estas partículas; por lo tanto, su decaimiento se vuelve «invisible».»El caso para detectar desintegraciones invisibles se discute, por ejemplo, en . Por otro lado, si el fotón oscuro es más claro que DM, se ve forzado a decaer en un par de partículas SM, con un ancho regulado por (1). En este caso, su tiempo adecuado está aproximadamente dado por dónde está el número de canales de desintegración SM permitidos por la cinemática.

Ha habido varios intentos de observar experimentalmente una señal, utilizando muchas técnicas diferentes. La Figura 1, tomada de la referencia, muestra la gráfica de exclusión en el plano , resultante de las búsquedas mencionadas anteriormente. El experimento de descarga de haz de electrones cubre la región de masas bajas y acoplamientos muy bajos, hasta~. Para masas más altas y acoplamientos más bajos, los límites provienen principalmente de desintegraciones de mesones y experimentos de dispersión de electrones y núcleos y de datos de fábricas B. La información importante, que no se muestra en la Figura 1, también se puede deducir mediante observaciones astrofísicas (véase, por ejemplo, y las referencias en él). Para 10-20 MeV, la región con permanece en gran parte inexplorada.

Figura 1

Excluidos de la región en el plano resultante de la actualidad de los datos disponibles. El experimento de descarga de haz de electrones cubre la región de masas bajas y acoplamientos muy bajos, hasta~. Para masas más altas y acoplamientos más bajos, los límites provienen principalmente de desintegraciones de mesones y experimentos de dispersión de electrones y núcleos y de datos de fábricas B (gráfico cortesía de S. Andreas). La trama también informa de las proyecciones para los experimentos que se están construyendo actualmente. Para obtener más información sobre experimentos individuales, consulte .

Actualmente hay varios experimentos en ejecución o en construcción con el objetivo de sondear parte de esta región. Todos ellos están diseñados para explotar la producción radiativa de un haz de electrones o positrones muy intenso en un objetivo alto correctamente construido. En particular, el experimento de HPS en el Laboratorio Thomas Jefferson (EE.UU.) está diseñado para cubrir la región , MeV (ver Figura 1).

A continuación, se discutirá el caso de la búsqueda de fotones oscuros en la misma región espacial de parámetros en un colisionador de luminosidad muy alta.

3. Búsquedas en Colisionadores

En las últimas décadas, se ha recopilado una gran cantidad de datos en fábricas de sabores de alta luminosidad que operan en diferentes centros de energías de masa. Estos datos van desde el ~2 fb−1 entregado en el pico (1020) por el colisionador italiano DANE hasta el 0,5–1 ab−1 producido por las fábricas B en PEP-II (EE.UU.) y KEK-B (Japón). En un futuro próximo, se espera un aumento constante de las estadísticas anteriores tanto en DANE como en KEK-B, con el objetivo de aumentar su muestra de datos en factores de 10 y 50, respectivamente. Se ha tenido en cuenta una opción para aumentar la energía del centro de masa de DANE hasta 2,5 GeV . Finalmente, se están considerando estudios para la construcción de un colisionador capaz de entregar ~1 ab−1 alrededor del umbral de encanto en Italia, Rusia y China (véase, por ejemplo ).

A partir de hoy, las búsquedas de fotones oscuros en colisionadores se han llevado a cabo principalmente estudiando el proceso con la posterior desintegración de los en un par. Esto limita la búsqueda a , lo que, como consecuencia de (2), resulta en que su vida útil sea inconmensurablemente corta. Por lo tanto, la señal puede ser separada por el fondo QED más copioso e indistinguible, solo observando un pico agudo en la distribución de masa invariante del par de leptones de estado final.

Se plantea la cuestión de si sería posible ampliar la búsqueda también a la región con y, en particular, con . El mensaje principal del presente documento es que el aumento previsto de la muestra de datos potencialmente disponible permite dar una respuesta positiva a la pregunta anterior, no solo por el aumento de la sensibilidad estadística , sino también porque abre las puertas a la posibilidad de observar una señal clara para una vida larga, que es solo marginal con los datos actualmente disponibles.

Aquí y en lo que sigue, en aras de la simplicidad, solo se considera el caso de las máquinas simétricas. Además, ya que estamos interesados en el caso con , el fotón oscuro puede decaer solo en un par.

La sección transversal diferencial para la producción radiativa en colisiones viene dada por dónde está el ángulo entre el positrón entrante y el fotón saliente y denota el centro de energía de masa del evento. Al integrar la ecuación anterior, se obtiene una sección transversal total de aproximadamente µb, µb y nb para, 3.1 y 10.5 GeV, respectivamente. Por lo tanto, en las muestras de datos disponibles actualmente, se pueden encontrar unas pocas docenas.

Debido a la cinemática de dos cuerpos, el fotón oscuro se potencia en el marco del laboratorio por un factor . Por lo tanto, para mezclas cinéticas pequeñas y masas de fotones oscuras lo suficientemente bajas, su vida útil en el marco del laboratorio se vuelve considerable. Por ejemplo, para y MeV, la trayectoria media de desintegración de un fotón oscuro es de ~1, 3 y 10 cm para , 3,1 y 10,5 GeV, respectivamente.

¿Se pueden explotar estas largas rutas de desintegración para separar una señal potencial del fondo QED? Claramente, aunque el vértice secundario se puede determinar con técnicas de vértice estándar, no se puede, evento por evento. Por otro lado, la posición y el tamaño reales de la envolvente de colisión se pueden determinar de forma estadística utilizando procesos conocidos, como la dispersión de Bhabha o la producción de pares de muones. Curiosamente, en todas las instalaciones bajo consideración, una de las estrategias utilizadas para maximizar la luminosidad es mantener las dimensiones transversales del haz en el punto de interacción lo más pequeñas posible, típicamente ≤1 mm. Por lo tanto, suponiendo una distribución perfectamente gaussiana del punto del haz, con una dimensión transversal máxima de 1 mm, la probabilidad de observar un vértice de procesos QED estándar a una distancia transversal de 1 cm o más del centro del punto de colisión es prácticamente cero. Por otro lado, el número de eventos de decaimiento con trayectoria de decaimiento transversal mayor de 1 cm, puede ser tan grande como varios miles, dependiendo del valor real de,, y y de la luminosidad integrada por la máquina,.

La Figura 2 muestra la variación de en función de, para diferentes valores de y para tres condiciones experimentales diferentes: (a) GeV, fb−1; (b) GeV,; (c) GeV, ab−1. Los valores elegidos para corresponden al rendimiento objetivo para las instalaciones en construcción o en estudio mencionadas anteriormente. El comportamiento de las curvas se explica fácilmente. Para la trayectoria de desintegración media de un fotón oscuro es mucho mayor de 1 cm, y por lo tanto aumenta con , independientemente de . Eventualmente alcanza un pico y cae rápidamente hacia cero, siempre y cuando , con el aumento, la vida útil se vuelva más y más corta. La posición del pico está determinada por el equilibrio adecuado entre el efecto de la sección transversal de producción, que aumenta con , y el de la vida útil que disminuye con ella. Depende también del valor de, la trayectoria de decaimiento que disminuye de nuevo cuadráticamente con él. Se observa que, a pesar de la sección transversal de producción más baja, la mayor luminosidad integrada esperada combinada con los factores de impulso más altos favorece la opción de fábrica B (caso (c)). En este caso, sin embargo, el pico de la distribución, especialmente para masas más bajas, se obtiene para los valores de la mezcla cinética ~. También se puede observar que en el caso (a) el número de fotones oscuros observables con masas mayores de ~30 MeV se vuelve irremediablemente pequeño. Esto no solo se debe a la menor luminosidad, sino también al impulso de Lorentz reducido, consecuencia del centro de energía de masa inferior de la colisión.

Aunque los resultados obtenidos hasta ahora parecen muy alentadores en general, hay dos limitaciones principales que provienen de la implementación de la estrategia de búsqueda anterior en un experimento real. Por un lado, para valores específicos de los parámetros, la vida útil se vuelve tan larga que una parte relevante de las desintegraciones escaparía a la detección de un aparato de dimensiones realistas. Por ejemplo, para GeV,, y MeV, la trayectoria media de decaimiento es de aproximadamente 1,5 m. Más importante aún, entra en funcionamiento un fondo instrumental muy peligroso, a saber, conversiones de fotones en el material del detector inducidas por eventos. Esto es particularmente relevante ya que los experimentos a menudo se diseñan para tener tubos de haz con radios muy pequeños en el punto de interacción. Aunque se puede intentar minimizar la probabilidad de conversión en los elementos del detector, eligiendo correctamente el tipo y las dimensiones de los materiales, la sección transversal del proceso es mucho más grande que la de la señal (de hecho, es más grande por un factor ) que este fondo se vuelve rápidamente imbatible.

La forma más sencilla de hacer frente a este problema es permitir una región vacía lo suficientemente grande alrededor del punto de interacción, donde los fotones no pueden interactuar con la materia y los fotones oscuros pueden, al menos en parte, sufrir su descomposición. Entonces sería razonable aceptar solo eventos con vértices de decaimiento que ocurren antes de la tubería del haz, pero aún lejos (1 cm) del centro puntual nominal del haz. Suponiendo un tubo de haz de 5 cm de radio, como el utilizado actualmente por el experimento KLOE-2 en DANE, el número de eventos así obtenidos dentro de la aceptación, , se muestra en la Figura 3 para los tres casos en consideración.


(un)

(b)

(c)


(a)
(b)
(c)

Figura 3

Mismo que en la Figura 2, con la petición de que el diámetro transversal del decaimiento de la ruta de acceso es menor de 5 cm.

Para valores altos de, este corte de aceptación no afecta de manera observable a las distribuciones anteriores. De hecho, en este caso, la vida útil es tan corta que casi todos los fotones oscuros se descomponen mucho antes de los 5 cm. Para valores más bajos, en cambio, la consecuencia del corte en la aceptación es más visible y puede disminuir el número de eventos aceptados en un orden de magnitud, especialmente para masas muy bajas. Sin embargo, y este es uno de los mensajes principales de este documento, el número de eventos potencialmente observables sigue siendo considerable para una amplia región del espacio de parámetros, especialmente para las opciones de máquinas de mayor energía. En particular, también permite una mayor ineficiencia de detección, se puede ver que se pueden sondear mezclas cinéticas de hasta pocas veces y masas de hasta ~200 MeV.

Basado solo en estadísticas de señales (p. ej., sin tener en cuenta los posibles efectos de resolución del detector y otros posibles fondos instrumentales), esto se traduce en las regiones explorables que se muestran en la Figura 4, para los tres casos en consideración. Mientras que el caso a) abarca casi en su totalidad una región ya excluida por experimentos anteriores de descarga de haces, los casos b) y c) pueden sondear una región relativamente amplia e inexplorada (véase la Figura 1). Por otra parte, también hay que subrayar que se espera que esta misma región esté cubierta por los futuros experimentos con objetivos fijos antes mencionados (véase de nuevo la figura 1).

Figura 4

Exploración de la región para los casos (a) sólido, (b) discontinua, y (c) de puntos en el plano . No se tienen en cuenta los fondos instrumentales, así como los posibles efectos de eficiencia y resolución para el detector. Por encima de ~210 MeV, la apertura del canal de 2 muones reduce drásticamente la eficacia del método.

Vale la pena recalcar una vez más que el requisito de observar una trayectoria de decaimiento a escala cm idealmente rechaza todos los posibles antecedentes físicos de nuestra señal. Sin embargo, otros efectos instrumentales deben tenerse en cuenta cuidadosamente, como se analiza en la sección siguiente.

4. Implementación en Instalaciones actuales y Futuras

Es interesante comprender lo difícil que sería implementar en la práctica en instalaciones experimentales reales las ideas discutidas hasta ahora. Esto requiere un conocimiento detallado del diseño real de la máquina y el detector y del rendimiento esperado (o medido). Solo los estudios específicos basados en estas cifras pueden determinar al final si el método es aplicable o no, en qué medida y en qué máquina. Una diferencia obvia entre nuestros modelos simplificados y la realidad se puede encontrar, por ejemplo, en el caso (c); tanto las fábricas B antiguas como las futuras son, de hecho, máquinas asimétricas, el haz de electrones es de mayor energía con respecto al positrón. Aunque esto podría modificar en cierta medida los requisitos específicos de aceptación con respecto a la opción simétrica que se examina en el presente documento, es razonable suponer, sin embargo, que aún pueden extraerse conclusiones similares.

En general, hay cuatro parámetros que deben tenerse en cuenta: la tasa de producción primaria, las dimensiones de las vigas, las del tubo de la viga y las capacidades de vértice del detector.

En cuanto al primer punto, a pesar de la mayor sección transversal de producción, la opción de fábrica (caso (a)) tiene menos rendimiento que los otros dos, no solo debido a la luminosidad integrada mucho menor, sino también, como se señaló anteriormente, debido a la limitación intrínseca debido a los factores de refuerzo de Lorentz más bajos. La propuesta de ejecutar DANE a energías más altas es, en este sentido, particularmente interesante porque esto permitiría aumentar las trayectorias de desintegración proporcionalmente a .

Como se señaló anteriormente, para todas las máquinas en cuestión, las dimensiones de las vigas se mantienen muy pequeñas en la dirección transversal. Por ejemplo, en DANE, las vigas tienen ~1,5 mm, ~0,02 mm y dimensiones mucho más bajas en las otras máquinas. Tenga en cuenta que ambas Figuras 2 y 3, en las que basamos nuestra estrategia de búsqueda, se refieren a trayectorias de desintegración transversales, por lo que las dimensiones del haz en la dirección longitudinal son irrelevantes para nuestras conclusiones. Obviamente, las colas no gaussianas de la envoltura de colisión pueden aumentar en cierta medida la contaminación de fondo. Sin embargo, si no se suprimen por completo, todavía se pueden estudiar utilizando otros procesos conocidos, como para la parte gaussiana.

Una preocupación real son las dimensiones reales de la viga. Entre las instalaciones existentes, KLOE-2 en DANE es la única que tiene un radio de tubo de haz en el punto de interacción de 5 cm. En cuanto a las máquinas que funcionan en el umbral de encanto, la única actualmente en funcionamiento, el colisionador chino BEPC, tiene un tubo de haz en el punto de interacción de 3,5 cm de radio; sin embargo, su luminosidad actual es aproximadamente un factor 100 menor que la requerida por nuestros argumentos en esa energía. Para las fábricas B, los radios de tubo de haz van desde los 2,5 cm para el detector BaBar hasta los 1 cm para el futuro SuperBelle.

Mientras que una reconsideración de la región interior de SuperBelle es probablemente muy improbable, en el caso de una futura fábrica de alto encanto de luminosidad, es concebible que la región de interacción pueda diseñarse de manera que maximice la sensibilidad para la búsqueda de fotones oscuros bajo consideración. Vale la pena señalar aquí que la solicitud de minimizar las dimensiones de la tubería de viga es de primer orden desde el experimento más que desde la máquina. De hecho, de alguna manera son anticorrelacionadas con las capacidades de vértice del detector. En realidad, la resolución de una medición de longitud de desintegración para un detector genérico es aproximadamente proporcional a la resolución de un solo punto del dispositivo de seguimiento más interno e inversamente proporcional a su distancia desde el punto de desintegración. En este sentido, la situación menos favorable es la de KLOE-2, cuyo primer dispositivo de rastreo, un detector cilíndrico de triple GEMA, tiene un radio interno de 12 cm y una resolución de punto único de ~200 µm. Aún así, su resolución de vértice estimada para eventos es de 1-2 mm. El uso de detectores de silicio, que pueden tener una resolución de punto único de orden de 10 µm, definitivamente mejoraría con respecto a la caja KLOE-2. Notablemente, todos los experimentos LEP, que tenían tubos de haz de 5,5 cm, podían alcanzar una resolución de longitud de desintegración típica de ~250 µm para eventos de desintegración B, gracias al uso de detectores de silicio . Esto implica que, teniendo en cuenta la longitud de decaimiento de escala cm que nos ha interesado hasta ahora, la resolución de vértices no debería ser un problema importante. Por otra parte, puede desempeñar un papel importante en las consideraciones que se examinan en la sección siguiente.

5. Desintegraciones mesónicas

Los colisionadores Electrón-positrones también proporcionan un mecanismo de producción útil a través de desintegraciones mesónicas vectoriales radiativas. En realidad, para cada decaimiento observado (y siendo un vector y un mesón pseudoscalar, resp.), podría haber un proceso, suprimido por un factor con respecto al primero . Este hecho ha sido explotado por la colaboración KLOE-2 que ha buscado el fotón oscuro usando el proceso in . En cuanto a las búsquedas en el canal, la señal se separa por el fondo SM (decaimiento de Dalitz) buscando un pico en la distribución de masa invariante del par de leptones de estado final. Sin embargo, una vez que la vida útil se vuelve considerable, estos eventos también se caracterizan por la presencia de vértices claramente separados por el punto de colisión, lo que permite el uso de la estrategia de búsqueda descrita en las secciones anteriores.

El número de producidos está dado pordonde es el número de mesones vectoriales producidos, y es la relación de ramificación para la desintegración radiativa estándar correspondiente.

Consideremos en primer lugar el proceso mencionado anteriormente. En a-factory, ~ los mesones se producen cada entrega de la máquina. Desde entonces, se ve fácilmente que el número de eventos de señal producidos , suponiendo, se vuelve insignificante para . Por otro lado , para valores más altos de, la trayectoria de desintegración media se vuelve inconmensurablemente corta (en comparación con las resoluciones de vértices a escala milimétrica), pero para masas muy bajas. Por ejemplo, porque ya es de 0,8 (0,2) cm, para MeV. A menos que, por lo tanto, se integren luminosidades que excedan en gran medida las esperadas de la máquina considerada actualmente, el método es difícilmente aplicable a este canal de desintegración.

Volvamos ahora nuestra atención a la transición. Este proceso ya se ha estudiado en, donde, sin embargo, solo se considera el caso de los fotones oscuros de corta duración. Como antes, uno tiene /fb-1, corriendo en el pico. Teniendo en cuenta que, se obtiene ~150 eventos para y ab−1. Por otro lado, para este valor de mezcla cinética, la trayectoria de desintegración media es del orden correcto de magnitud solo para un rango limitado de valores de masa. Es, por ejemplo, 11,2, 2,8 y 0,45 cm para = 10, 20 y 50 MeV, respectivamente. El efecto de esto se ve en la Figura 5 , donde el número de desintegraciones que ocurren a una distancia entre 1 y 5 cm del punto de interacción se representa en función de, para diferentes valores de . A diferencia del caso, aquí, es el efecto de que la vida útil sea corta para ser dominante, al menos para los valores de mezcla cinética de interés, porque para masas de fotones oscuros más altas y lo suficientemente bajas, casi todos sobreviven por menos de 1 cm. Tenga en cuenta, también, que se debe considerar una reducción adicional en el número de eventos observables debido a consideraciones de aceptación geométrica. Aún así, queda una pequeña región del espacio de parámetros para la cual uno puede esperar observar un número razonable de desintegraciones dentro de la aceptación.

Gráfico 5

Número de fotones oscuros del proceso con trayectorias de desintegración mayores de 1 cm e inferiores a 5 cm, en función de y para diversos valores de . Se considera una luminosidad integrada de 1 ab-1.

Sin embargo, hay un beneficio adicional específico de los eventos; estos procesos de hecho se pueden usar también para medir, evento por evento, la trayectoria real de desintegración de fotones oscuros, siempre que el mesón en estado final se desintegre en al menos un par de partículas cargadas. En este caso, la posición de las últimas partículas determina el vértice de producción primaria, mientras que la posición de desintegración está determinada, como de costumbre, por el vértice.

Por ejemplo, para eventos, uno puede usar el proceso, donde el par permite determinar exactamente el punto de colisión, al precio de reducir la cantidad total de eventos útiles en un factor ~0.43 . Dado que estamos interesados en las rutas de desintegración a escala milimétrica, el fondo de conversión de fotones ya no debería ser un problema. Sin embargo, hay un trasfondo físico a tener en cuenta, a saber, la decadencia de Dalitz de la,. Su relación de ramificación se puede estimar aproximadamente ~, de modo que el proceso es ~ veces más frecuente que la señal, if . Sin embargo, en este caso, los vértices and deben coincidir dentro de la resolución del detector,. Por lo tanto, se puede lograr una reducción del fondo por un factor aceptando solo eventos con trayectorias de desintegración medidas mayores que . Además, se espera que los eventos de fondo tengan una amplia distribución de masa invariante, mientras que las desintegraciones son una resonancia estrecha en dicho canal. Sin considerar los efectos del factor de forma, el número de eventos de fondo, , en una ventana de alrededor viene dado aproximadamente por

Tenga en cuenta que la dependencia de (5) favorece la observación de fotones oscuros de mayor masa. Por otro lado , dado que la trayectoria de desintegración escala as, el efecto de una resolución de vértices finitos favorece la observación de partículas de menor masa.

En un experimento dado, por lo tanto, dos parámetros idealmente deben mantenerse lo más pequeños posible, y . Tomemos, por ejemplo , MeV. De acuerdo con (5), el número de eventos de fondo en el contenedor de masa interesante en este caso sería ~ para MeV. Al aplicar el corte mencionado anteriormente, este número se reduce a ~20. Por lo tanto, para mm, la significación de la señal (es decir, el número de eventos de señal dividido por la raíz cuadrada del fondo) sería ~. Es importante subrayar que en este caso las dimensiones de la tubería de viga son irrelevantes de primer orden, ya que se trata de longitudes de desintegración relativamente cortas. Por otro lado, también hay que señalar que estamos asumiendo aquí una eficiencia de detección total que podría revelar una suposición excesivamente optimista. En cuanto a los eventos continuos, solo estudios detallados basados en parámetros de detector realistas pueden finalmente evaluar los potenciales del método.

6. Conclusiones

En muchos laboratorios del mundo se están realizando búsquedas experimentales de un bosón nuevo, claro y neutro, el «fotón oscuro», utilizando diferentes técnicas de detección. Si el is es lo suficientemente ligero y si sus acoplamientos con partículas SM están suprimidos por un factor ≤ con respecto a los del fotón ordinario, puede adquirir una vida útil relativamente larga. Este hecho se puede explotar en colisionadores buscando un vértice de desintegración bien separado por el de producción primaria, en eventos. El artículo muestra que los colisionadores de nueva generación tienen el potencial de explotar completamente esta técnica y pueden explorar acoplamientos efectivos hasta pocas veces y masas en el rango de 10-100 MeV aproximadamente. En general, se favorecen las máquinas de mayor energía, porque el mayor impulso de Lorentz de los bosones producidos (ligeros) permite una mejor separación de los vértices secundarios. Sin embargo, también se observa que la implementación de este método en instalaciones reales requiere un diseño adecuado de la región de interacción y una sabia elección del detector de seguimiento. Hasta donde sabemos, desafortunadamente, las dimensiones de los tubos de viga de SuperBelle están lejos de ser óptimas en este sentido. Por otro lado, dado que todas las futuras fábricas de gran luminosidad y encanto se encuentran todavía en una fase preliminar de estudio de diseño, es concebible que en este caso la región de interacción se pueda diseñar de manera que maximice la sensibilidad para la técnica de búsqueda propuesta. Tal máquina también puede proporcionar un método de búsqueda complementario mediante la observación de vértices desplazados en eventos completamente reconstruidos, por lo tanto, aumentando el interés por la construcción de tal instalación.

Conflicto de intereses

El autor declara que no existe conflicto de intereses con respecto a la publicación de este artículo.

Agradecimientos

El autor desea agradecer a S. Andreas y D. Babusci su ayuda y útiles discusiones.

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