pimeä fotoni etsii syrjäyttämällä kärkipisteitä Matalaenergisissä Törmäyttimissä

Abstrakti

uuden, fotonin kaltaisen massiivisen hiukkasen, eli tumman fotonin,olemassaoloa on esitetty useissa standardimallin laajennuksissa. Näitä malleja suositellaan usein selittämään joitakin viimeaikaisia hämmentäviä astrofysikaalisia havaintoja sekä ratkaisemaan toistaiseksi selittämätön poikkeama mitattujen ja laskettujen arvojen välillä myonin anomalia. Tummia fotoneja voi syntyä törmäyksissä sekä jatkumoissa että vektorimesonitransitioissa ja ne voivat lopulta hajota elektroni-positroniparin. Jotta asianmukainen valinta parametrit teorian, a voi olla suhteellisen pitkä käyttöikä ja voi thereforebe havaittu kuin huippupiste hyvin erotettu ensisijainen interactionpoint. Tätä tapausta käsitellään viitaten erittäin korkeisiin luminositeettitörmäyksiin, jotka ovat joko rakenteilla tai joita tutkitaan useissa laboratorioissa maailmassa. On osoitettu, että hakustrategia perustuu havaitsemiseen siirtymään vertices voi olla periaatteessa hyvin effectivein kattaa melko laaja ja toistaiseksi tutkimaton alue theoreticalparameters tilaa.

1. Johdanto

standardimallissa (SM) alkeishiukkasten vuorovaikutuksia välittävät vahvojen, heikkojen ja sähkömagneettisten voimien vektoribosonit. Kokeellinen näyttö näiden bosonien olemassaolosta on vakuuttavaa, ja niiden ominaisuuksista on viime vuosikymmeninä kertynyt tarkkoja mittauksia. Uudet voimat ovat voineet toistaiseksi jäädä havaitsematta, joko jos niiden bosonit ovat hyvin raskaita tai jos niiden kytkökset tavalliseen aineeseen ovat tarpeeksi heikkoja. Viimeksi mainittua tapausta on puolustettu muun muassa malleilla, joissa yritetään selittää ja sovittaa yhteen useita viime vuosina tehtyjä arvoituksellisia astrofyysisiä havaintoja . Niitä käytetään joskus myös sovittamaan mitattu muonin anomalian arvo SM-ennusteeseen, jotka eroavat toisistaan noin 3,5: llä (KS.esim.

jos on olemassa uusia, vaaleita neutraaleja bosoneja (joita tästä lähtien kutsutaan tai tummia fotoneja) ja jos ne ovat mitattavasti, vaikkakin heikosti, yhdistettyinä SM-hiukkasiin, niitä voidaan tuottaa ja havaita törmäyssäteillä ja kiinteillä kohdekokeilla . Itse asiassa, on ollut useita yrityksiä tarkkailla todisteita tällaisista hiukkasista, käyttäen tietoja käynnissä laitoksista tai tiedon louhinta vanhoja kokeita . Koska niiden olemassaololle ei ole löydetty todisteita, on asetettu rajat massan ja sen kytkennän funktioksi tavalliseen aineeseen.

lähitulevaisuudessa uusien rakenteilla olevien kokeiden odotetaan laajentavan näitä raja-arvoja alueella, jossa on toistaiseksi tutkimattomia kytkentöjä ja/tai massoja. Ne kaikki on suunniteltu hyödyntämään säteilytuotantoa erittäin voimakas elektronin tai positronin säde on oikein rakennettu high-target . Tämän kirjeen tarkoituksena on osoittaa, että vertailukelpoisia tuloksia voidaan saada korkean luminositeetin ja matalaenergian elektroni-positroni-törmäyttimillä, kuten rakenteilla tai tutkittavana useissa laboratorioissa ympäri maailmaa . Nämä tilat hyödyntävät kahta päärakenneominaisuutta, jotka johdonmukaisesti lisäävät niiden löytöpotentiaalia: niiden erittäin korkeaa tavoiteluminositeettia ja erittäin kompaktien palkkien käyttöä (nämä kaksi ominaisuutta korreloivat itse asiassa vahvasti toisiinsa). Itse asiassa suuri luminositeetti merkitsee mahdollisuutta tutkia alemman tuotannon poikkileikkaukset, eli pienempi tehokas Kytkimet välillä ja tavallisen aineen. Toisaalta matalat Kytkimet johtavat pidempiin hajoamisreitteihin, erityisesti matalille massoille. Siten käyttö palkkien hyvin pieni mitat mahdollistaa yhden saada selkeä signaali tarkkailemalla toisen vertices on hyvin määritelty invariant massa, hyvin erotettu palkkien vuorovaikutus kohta.

tässä jutussa käsitellään koneen massakeskisen energian kolmea mahdollista vaihtoehtoa, jotka vastaavat vastaavasti (1020), (1S) ja (4S) mesonien massaa. Valinnan taustalla ovat edellä mainitut hankkeet. Osoitetaan, että korkeaenergiaisempia koneita suositaan, ei vain siksi, että niiden odotetaan toimittavan suurempia tietokokonaisuuksia, vaan myös siksi, että niissä tuotetuilla koneilla on pidemmät hajoamisreitit, ceteris paribus. Instrumentaalisilla efekteillä on kuitenkin tärkeä rooli varsinaisessa havaitsemisstrategiassa, ja ne voivat joissakin tapauksissa merkittävästi vähentää menetelmän löytöpotentiaalia. Silti, erityisesti kun kyseessä on suuri luminositeetti-charmia tehdas, se on riittävän korkea ollakseen kilpailukykyinen kiinteä tavoite kokeiluja edellä.

lehti on järjestetty seuraavasti Ensinnäkin, teoreettinen viitekehys paperi on keskusteltu, yhdessä lyhyt esitys kokeellinen rajat olemassaolon tumma fotonit saatu tähän mennessä. Matalaenergisillä ja suuriluminositeettisilla törmäyttimillä tehtäviä hakuja käsitellään 3 jaksossa, minkä jälkeen esitetään joitakin pohdintoja ehdotetun menetelmän tosiasiallisesta toteuttamisesta olemassa oleviin tai suunniteltuihin tiloihin. Säteilyvektorimesonin hajoamista käsitellään jaksossa 5. Päätelmät esitetään 6 jaksossa.

2. Fysiikan tapauksessa

monissa uusissa fysiikan skenaarioissa SM-lukua laajennetaan yksinkertaisesti lisäämällä siihen lisäsymmetria, jonka mukaan SM-hiukkaset ovat varaamattomia ensimmäisessä järjestyksessä . Uuteen symmetriaan liittyvä mittabosoni, the, voi silti olla vuorovaikutuksessa tavallisen aineen kanssa kineettisen sekoittumisen kautta, jota kuvaa tehokas vuorovaikutus Lagrangilainen. Mixwhere tarkoittaa kentän. Kineettinen sekoituskerroin parametrisoi kytkentälujuuden suhteessa sähkövaraukseen ja sen ennustetaan eri malleissa olevan alueella . Pimeän fotonin massa lepää arvaamattomana. Fenomenologisin perustein suositaan kuitenkin MeV–GeV-vaihteluvälin massoja, jotka kiinnostavat nykyistä teosta.

saattaa olla olemassa ei-SM-ainehiukkasia, jotka ovat herkkiä uudelle vuorovaikutukselle. Usein niiden oletetaan olevan maailmankaikkeuden vielä löytämättömän pimeän aineen komponentin (DM) pääainesosa, ja siksi niiden on oltava sähköisesti neutraaleja ja stabiileja. Jos kinemaattisesti sallitaan, se hajoaa mieluiten pareiksi näitä hiukkasia; näin sen hajoamisesta tulee ” näkymätöntä.”Tapaus havaitsemiseksi näkymätön hajoamista käsitellään, esimerkiksi, vuonna . Toisaalta, jos tumma fotoni on DM: ää vaaleampi, se joutuu hajoamaan SM-hiukkaspariksi, jonka leveyttä säätelee (1). Tällöin sen oikea aika saadaan likimain sen mukaan, missä on kinematiikan sallimien SM-hajoamiskanavien määrä.

signaalia on yritetty havainnoida kokeellisesti useilla eri tekniikoilla. Kuvassa 1 , joka on otettu viitteestä , esitetään poissulkemispalsta tasossa, joka on seurausta edellä mainituista etsinnöistä. Elektronisuihku dump kokeilu kattaa alueen pienten massojen ja hyvin alhainen Kytkimet, alas ~. Suuremmille massoille ja matalammille liitoksille raja-arvot tulevat lähinnä mesonin hajoamisista ja elektroni-nukleoni-sirontakokeista sekä B-tehtaiden tiedoista. Tärkeitä tietoja, joita ei ole esitetty kuvassa 1, voidaan päätellä myös astrofysikaalisista havainnoista (KS.esim. ja siinä olevat viittaukset). 10-20 MeV: n alueella on edelleen suurelta osin tutkimatonta.

Kuva 1

tällä hetkellä saatavilla olevien tietojen perusteella poissuljettu alue tasossa. Elektronisuihku dump kokeilu kattaa alueen pienten massojen ja hyvin alhainen Kytkimet, alas ~. Suuremmille massoille ja alemmille kytkimille raja-arvot tulevat pääasiassa mesonin hajoamisista ja elektroni-nukleoni-sirontakokeista ja B-tehtaiden tiedoista (juoni S. Andreasin luvalla). Tontti kertoo myös parhaillaan rakenteilla olevien kokeilujen ennusteet. Lisätietoja yksittäisistä kokeista katso .

tällä hetkellä on käynnissä tai rakenteilla erilaisia kokeiluja, joiden tarkoituksena on tutkia osa tästä alueesta. Ne kaikki on suunniteltu hyödyntämään säteilytuotantoa erittäin voimakas elektronin tai positronin säde on oikein rakennettu high-target. Erityisesti Thomas Jefferson Laboratoryssa (USA) tehtävä HPS-koe on suunniteltu kattamaan alue , MeV (KS.Kuva 1).

seuraavassa käsitellään tapausta, jossa tummia fotoneja etsitään samoilta parametreilta avaruuden alueelta erittäin suuren luminositeetin törmäyttimellä.

3. Hakuja Törmäyttimillä

on viime vuosikymmeninä kerätty runsaasti tietoa eri massaenergiakeskuksissa toimivista korkean luminositeetin flavor-tehtaista. Nämä tiedot vaihtelevat ~2 fb–1 toimitetaan (1020) huippu italialaisen Dane collider 0.5−1 ab-1 tuotettu B-tehtaat Pep-II (USA) ja KEK-B (Japani). Lähitulevaisuudessa edellä mainittujen tilastojen odotetaan kasvavan johdonmukaisesti sekä DANESSA että KEK-B: ssä, minkä tavoitteena on kasvattaa niiden otosta kertoimilla 10 ja 50. Harkinnassa on ollut vaihtoehto nostaa Danen massaenergiakeskusta jopa 2,5 GeV: hen . Lopuksi, tutkimukset rakentamiseen törmäyttimen pystyy toimittamaan ~1 ab−1 ympäri charmia kynnys on harkinnassa Italiassa, Venäjällä ja Kiinassa (KS.esimerkiksi).

tästä päivästä lähtien tummien fotonien etsintää törmäyttäjillä on jatkettu lähinnä tutkimalla prosessia, jonka seurauksena pari hajoaa. Tämä rajoittaa haun koskemaan hakua, jonka seurauksena (2) on elinaikanaan mittaamattoman lyhyt. Tämän vuoksi signaali voidaan erottaa runsaammalla ja muuten erottamattomalla QED-taustalla vain havainnoimalla lopullisen tilan leptoniparin invariantissa massajakaumassa terävä huippu.

herää kysymys, olisiko etsintöjä mahdollista laajentaa myös alueelle ja erityisesti sen kanssa . Tämän asiakirjan pääviesti on se, että mahdollisesti käytettävissä olevan dataotoksen ennakoitu kasvu antaa mahdollisuuden antaa myönteinen vastaus edellä mainittuun kysymykseen , ei pelkästään tilastollisen herkkyyden lisääntymisen vuoksi, vaan myös siksi, että se avaa ovet mahdollisuudelle havaita selkeä signaali pitkäaikaisesta, mikä on tällä hetkellä käytettävissä olevien tietojen valossa vain marginaalinen.

tässä ja seuraavassa tarkastellaan yksinkertaisuuden vuoksi vain symmetristen koneiden tapausta. Myös , koska olemme kiinnostuneita tapauksessa, tumma fotoni voi hajota vain pari.

differentiaalisen poikkileikkauksen säteilytuotannolle törmäyksissä antaa missä on tulevan positronin ja tulevan fotonin välinen kulma ja ilmoittaa tapahtuman massaenergian keskipisteen. Integroimalla edellä yhtälö välillä, saadaan kokonaispinta-ala noin µb, µb ja nb , 3.1, ja 10.5 GeV, vastaavasti. Tällä hetkellä käytettävissä olevista datanäytteistä löytyy siis muutamia kymmeniä.

kahden kappaleen kinematiikan vuoksi pimeää fotonia tehostetaan laboratoriokehyksessä yhdellä tekijällä . Näin ollen pienillä kineettisillä sekoituksilla ja riittävän pienillä tummilla fotonimassoilla sen elinikä laboratoriokehyksessä tulee mittavaksi. Esimerkiksi for ja MeV, keskimääräinen hajoamispolku tumma fotoni on ~1, 3, ja 10 cm, 3.1, ja 10.5 GeV, vastaavasti.

voidaanko näitä pitkiä hajoamispolkuja hyödyntää mahdollisen signaalin erottamiseksi QED-taustasta? On selvää, että vaikka toissijainen huippupiste voidaan määrittää standardin vertexing tekniikoita, ei voida, tapahtuma tapahtumakohtaisesti. Toisaalta törmäyskuoren todellinen sijainti ja koko voidaan määrittää tilastollisesti tunnettujen prosessien, kuten Bhabha-sironnan tai muoniparituotannon avulla. Mielenkiintoista on, että kaikissa tarkasteltavissa tiloissa yksi luminositeetin maksimointiin käytetyistä strategioista on pitää poikkisäteen mitat vuorovaikutuspisteessä mahdollisimman pieninä, tyypillisesti ≤1 mm. Jos siis oletetaan säteen pisteen täysin Gaussin jakauma, jonka suurin poikittaismitta on 1 mm, todennäköisyys havaita huippupiste tavanomaisista QED-prosesseista poikittaisella etäisyydellä, joka on 1 cm tai enemmän törmäyskohdan keskipisteestä, on käytännössä nolla. Toisaalta, määrä hajoamistapahtumien poikittainen hajoamispolku suurempi kuin 1 cm, voi olla niin suuri kuin useita tuhansia, riippuen todellisesta arvosta , , ja ja luminositeetti integroitu koneen, .

kuvassa 2 esitetään vaihtelu funktiona, eri arvoille ja kolmelle erilaiselle kokeelliselle olosuhteelle: (a) GeV, fb−1; (b) GeV, ; (c) GeV, ab−1. Valitut arvot vastaavat edellä mainittujen rakenteilla olevien tai tutkittavien tilojen suorituskykytavoitetta. Käyrien käyttäytyminen on helposti selitettävissä. Sillä keskimääräinen hajoaminen polku tumma fotoni on paljon suurempi kuin 1 cm, ja siksi kasvaa , riippumatta . Se saavuttaa lopulta huippunsa ja laskee nopeasti kohti nollaa, kunhan elinikä pitenee koko ajan. Piikin sijainti määräytyy oikean tasapainon välillä vaikutus tuotannon poikkileikkaus, joka kasvaa, ja eliniän, joka pienenee sen kanssa. Se riippuu myös arvosta, rappeutuminen polku vähenee jälleen nelinkertaisesti sen kanssa. Voidaan nähdä, että Pienemmästä tuotannon poikkileikkauksesta huolimatta suurin odotettu integroitu luminositeetti yhdistettynä korkeampiin boost-tekijöihin suosii B-tehdasvaihtoehtoa (tapaus c)). Tällöin jakauman huippu, erityisesti pienemmille massoille, saadaan kuitenkin kineettisen sekoittumisen arvoille ~. Voidaan myös todeta, että tapauksessa (a) havaittavien tummien fotonien määrä, joiden massa on suurempi kuin ~30 MeV, tulee toivottoman pieneksi. Tämä ei johdu ainoastaan matalammasta luminositeetista, vaan myös Pienemmästä Lorentzin boostista, joka on seurausta törmäyksen alhaisemmasta massakeskipisteestä.

vaikka tähän mennessä saadut tulokset näyttävät yleisistä syistä erittäin rohkaisevilta, edellä mainitun hakustrategian toteuttamisella varsinaiseksi kokeeksi on kaksi pääasiallista rajoitusta. Toisaalta parametrien tiettyjen arvojen osalta käyttöikä on niin pitkä, että merkittävä osa hajoamisesta jää havaitsematta realistisen kokoiselta laitteelta. Esimerkiksi GeV,, ja MeV, keskimääräinen hajoamispolku on noin 1,5 m. Vielä tärkeämpää on, että hyvin vaarallinen instrumentaalinen tausta tulee käyttöön, nimittäin fotonikonversiot tapahtumien aiheuttamassa ilmaisinmateriaalissa. Tämä on erityisen tärkeää, koska kokeet on usein suunniteltu niin, että säde on hyvin pieni vuorovaikutuspisteessä. Vaikka detektorielementtien muunnostodennäköisyyttä voidaan yrittää minimoida valitsemalla oikein materiaalien tyyppi ja mitat, prosessin poikkileikkaus on niin paljon suurempi kuin signaali (itse asiassa se on suurempi tekijällä), että tämä tausta tulee nopeasti lyömättömäksi.

yksinkertaisin tapa selvitä tästä ongelmasta on sallia vuorovaikutuspisteen ympärille riittävän suuri tyhjä alue, jossa fotonit eivät voi vuorovaikuttaa aineen kanssa ja tummat fotonit voivat ainakin osittain käydä läpi hajoamisensa. Silloin olisi järkevää hyväksyä vain tapahtumia, joissa hajoamispisteet esiintyvät ennen palkkiputkea, mutta silti kaukana (1 cm) nimellispalkin kohdekeskuksesta. Olettaen, että sädeputki, jonka säde on 5 cm, kuten Kloe-2-kokeessa danessa tällä hetkellä käytetty , näin saatujen tapahtumien lukumäärä hyväksynnässä,, on esitetty kuvassa 3 kolmen tarkasteltavana olevan tapauksen osalta.


(a)

(b)

(c)


(a)
(b)
(c)

kuva 3

sama kuin kuvassa 2, ja lisäksi pyydetään, että poikittainen hajoamisreitti on alle 5 cm.

korkeat arvot, tämä hyväksyminen leikkaus ei havaittavasti vaikuta edellisen jakaumia. Itse asiassa tässä tapauksessa elinikä on niin lyhyt, että lähes kaikki tummat fotonit hajoavat paljon ennen 5 cm. Alhaisemmilla arvoilla sen sijaan hyväksymisen leikkauksen seuraus on näkyvämpi ja voi vähentää hyväksyttyjen tapahtumien määrää suuruusluokassa, erityisesti hyvin alhaisilla massoilla. Kuitenkin, ja tämä on yksi tämän paperin tärkeimmistä viesteistä, potentiaalisesti havaittavien tapahtumien määrä on edelleen huomattava laajalla alueella parametriavaruudessa, erityisesti korkeamman energian konevaihtoehdoissa. Erityisesti, myös mahdollistaa jonkin verran edelleen havaitsemisen tehottomuus, voidaan nähdä, että kineettisiä sekoituksia alas muutaman kerran ja massat jopa ~200 MeV voidaan tutkia.

perustuu vain signaalitilastoihin (ts., ottamatta huomioon mahdollisia detektorin erotuskyvyn vaikutuksia ja muita mahdollisia instrumentaalisia taustoja), tämä tarkoittaa Kuvassa 4 esitettyjä selitettävissä olevia alueita tarkasteltavina olevien kolmen tapauksen osalta. Vaikka tapaus (a) kattaa lähes kokonaan alueen, joka on jo suljettu pois aiemmissa sädekaatokokeissa, tapaukset (b) ja (c) voivat mahdollisesti tutkia suhteellisen laajaa tutkimatonta aluetta (KS.Kuva 1). Toisaalta on myös korostettava, että tämän saman alueen odotetaan kuuluvan edellä mainittujen tulevien kiinteiden tavoitekokeiden piiriin (KS.jälleen kuvio 1).

Kuva 4

Explorable alue tapauksissa (A) kiinteä, (b) dashed, ja (c) pilkullinen in the plane . Instrumentaalisia taustoja ei oteta huomioon, samoin kuin ilmaisimen mahdollisia hyötysuhde-ja resoluutiovaikutuksia. Yli ~210 MeV, avaaminen 2-muon kanava vähentää merkittävästi tehokkuutta menetelmän.

on syytä korostaa vielä kerran, että vaatimus cm-mittakaavan hajoamispolun havainnoinnista hylkää ihanteellisesti kaikki mahdolliset fyysiset taustat signaalillemme. Muut instrumentaaliset vaikutukset on kuitenkin otettava huolellisesti huomioon, kuten seuraavassa jaksossa käsitellään.

4. Toteutus nykyisissä ja tulevissa laitoksissa

on kiinnostavaa ymmärtää, miten vaikeaa tähän mennessä käsiteltyjä ideoita olisi käytännössä toteuttaa todellisissa koelaitoksissa. Tämä edellyttää yksityiskohtaista tietoa koneen ja ilmaisimen todellisesta rakenteesta ja odotetusta (tai mitatusta) suorituskyvystä. Vain näihin lukuihin perustuvissa erityistutkimuksissa voidaan lopulta määrittää, soveltuuko menetelmä vai ei, missä määrin ja millä koneella. Selkeä ero yksinkertaistettujen malliemme ja todellisuuden välillä löytyy esimerkiksi case (c): sekä vanhat että tulevat B-tehtaat ovat itse asiassa epäsymmetrisiä koneita, joiden elektronisuihku on suurempi kuin positronin. Vaikka tämä saattaa jossain määrin muuttaa tässä asiakirjassa käsiteltyä symmetristä vaihtoehtoa koskevia erityisiä hyväksymisvaatimuksia, on kuitenkin kohtuullista olettaa, että samanlaisia päätelmiä voidaan edelleen tehdä.

yleisistä syistä on otettava huomioon neljä muuttujaa: alkutuotantonopeus, palkkien mitat, palkin putken mitat ja ilmaisimen vertexing-ominaisuudet.

ensimmäisen kohdan osalta-tehdasvaihtoehto (Tapaus a)) on suuremmasta tuotannon poikkileikkauksesta huolimatta vähemmän suorituskykyinen kuin kaksi muuta, ei ainoastaan paljon pienemmän integroidun luminositeetin vuoksi, vaan myös, kuten aiemmin todettiin, alempien Lorentzin boost-tekijöiden aiheuttaman sisäisen rajoituksen vuoksi. Ehdotus Dane-järjestelmän käyttämisestä suuremmilla energioilla on tässä suhteessa erityisen mielenkiintoinen, koska se mahdollistaisi hajoamisreittien lisäämisen suhteessa siihen .

kuten aiemmin todettiin, kaikkien tarkasteltavien koneiden osalta palkkien mitat pidetään poikittaissuunnassa hyvin pieninä. Esimerkiksi Dane, palkit ovat ~1,5 mm, ~0,02 mm, ja paljon pienemmät mitat muissa koneissa. Huomaa, että molemmat luvut 2 ja 3, joihin perustamme etsintästrategiamme, viittaavat poikittaisiin hajoamisreitteihin, joten säteen mitat pitkittäissuunnassa ovat merkityksettömiä päätelmiemme kannalta. On selvää, että ei-Gaussin hännät törmäyskuoressa voivat jossain määrin lisätä taustakontaminaatiota. Jos niitä ei kuitenkaan täysin tukahduteta, niitä voidaan vielä tutkia muilla tunnetuilla prosesseilla, kuten Gaussin osalla.

todellinen huolenaihe ovat palkkiputken todelliset mitat. Nykyisistä tiloista KLOE – 2 danessa on ainoa, jonka sädeputken säde vuorovaikutuspisteessä on 5 cm. Mitä koneet käynnissä charmia kynnys, ainoa tällä hetkellä toiminnassa, Kiinalainen törmäyttimen BEPC, on palkki putki vuorovaikutus kohta 3,5 cm säteellä; kuitenkin, sen nykyinen luminositeetti on noin tekijä 100 pienempi kuin vaatimat argumentit tällä energialla. B-tehtaissa palkkiputken säteet vaihtelevat BaBar-ilmaisimen 2,5 cm: stä tulevan Superbellen 1 cm: iin.

vaikka Superbellen sisemmän alueen uudelleenarviointi on todennäköisesti hyvin epätodennäköistä, tulevan suuren luminositeetin luminositeettitehtaan tapauksessa on mahdollista, että vuorovaikutusalue voidaan suunnitella niin, että tarkasteltavana olevan pimeän fotonin etsinnän herkkyys on mahdollisimman suuri. Tässä kannattaa huomata, että pyyntö palkkiputken mittojen minimoimisesta tulee kokeilusta enemmän kuin koneesta. Itse asiassa ne ovat jotenkin antikorreloituneet ilmaisimen vertexing-kykyjen kanssa. Itse asiassa yleisilmaisimen hajoamispituusmittauksen resoluutio on likimain verrannollinen kaikkein sisäisen seurantalaitteen yhden pisteen erottelukykyyn ja kääntäen verrannollinen sen etäisyyteen hajoamispisteestä. Tässä suhteessa epäedullisempi tilanne on KLOE-2: lla, jonka ensimmäisen seurantalaitteen, kolmikivisen lieriömäisen ilmaisimen, sisäinen säde on 12 cm ja yhden pisteen erottelukyky ~200 µm. Silti sen arvioitu kärkitarkkuus tapahtumille on 1-2 mm . Pii-ilmaisimien käyttö, joiden yhden pisteen resoluutio voi olla 10 µm, parantaisi varmasti KLOE – 2: n tapauksessa. Havaittavasti kaikki LEP-kokeet, joissa oli 5,5 cm: n palkkiputket, saattoivat pii-ilmaisimien ansiosta saavuttaa tyypillisen hajoamispituuden, ~250 µm: n erotuskyvyn B-hajoamistapahtumille . Tämä merkitsee sitä, että kun otetaan huomioon cm-asteikon hajoamispituus, josta olemme tähän asti olleet kiinnostuneita, vertexing-päätöslauselman ei pitäisi olla suuri ongelma. Toisaalta sillä voi olla merkittävä rooli seuraavassa jaksossa käsitellyissä pohdinnoissa.

5. Mesonin hajoamiset

elektroni-positronitörmääjät tarjoavat hyödyllisen tuotantomekanismin myös säteilyvektorimesonin hajoamisten kautta. Itse asiassa jokaiselle havaitulle hajoamiselle (ja koska se on vektori ja pseudoskalaarinen mesoni, resp.), voisi olla prosessi, tukahdutetaan tekijä suhteessa edelliseen . Tätä tosiasiaa on itse asiassa hyödyntänyt KLOE – 2-yhteistyö, joka on etsinyt pimeää fotonia käyttäen prosessia in . Kanavan Hauissa signaali erotetaan SM (Dalitz decay) – taustasta etsimällä lopullisen tilan leptoniparin invariantin massajakauman huippua. Kuitenkin, kun elinikä kasvaa suureksi, näille tapahtumille on ominaista myös törmäyspisteen selvästi erottamien kärkipisteiden läsnäolo, mikä mahdollistaa edellisissä jaksoissa kuvatun hakustrategian käytön.

tuotettujen lukumääräksi ilmoitetaan bywhere on tuotettujen vektorimesonien lukumäärä, ja se on haarautumissuhde vastaavalle standardisäteilyn hajoamiselle.

Tarkastellaanpa ensin edellä mainittua prosessia. A-tehtaassa ~ mesoneita valmistetaan jokainen koneen toimittama. Koska se on helposti nähtävissä, että tuotettujen signaalin tapahtumia , olettaen, tulee merkityksetön varten . On the other hand, for higher values, The mean decay path becomes unmeasurably (verrattuna millimetrin mittakaavassa huippupiste päätöslauselmat) lyhyt, mutta hyvin alhainen massat. Esimerkiksi se on jo 0,8 (0,2) cm, MeV. Ellei siis yhdistetä luminositeetteja, jotka ylittävät suurelta osin nykyiseltä koneelta odotetut luminositeetit, menetelmää ei voida soveltaa tähän hajoamiskanavaan.

kääntäkäämme nyt huomiomme murrokseen. Tätä prosessia on jo tutkittu, jossa kuitenkin tarkastellaan vain lyhytikäisten tummien fotonien tapausta. Kuten ennenkin, yksi on / fb−1, käynnissä huippu. Ottaen huomioon, että yksi hankkii ~150 tapahtumia ja ab-1. Toisaalta tämän kineettisen sekoittumisen arvon osalta keskimääräinen hajoamispolku on oikeassa suuruusluokassa vain rajatulla massa-arvojen vaihteluvälillä. Se on esimerkiksi 11,2, 2,8 ja 0,45 cm = 10, 20 ja 50 MeV. Tämän vaikutus näkyy kuvassa 5, jossa määrä hajoaa esiintyy etäisyydellä 1 ja 5 cm, vuorovaikutus kohta on piirretty funktiona, eri arvoja. Toisin kuin tapauksessa, tässä, se vaikutus elinikä on lyhyt on hallitseva, ainakin kineettisten sekoitusarvot kiinnostavat, koska suurempi tumma fotonimassat ja riittävän alhainen, lähes kaikki hengissä alle 1 cm. Huomaa myös, että havaittavien tapahtumien määrän vähenemistä on harkittava geometristen hyväksymisnäkökohtien vuoksi. Silti, on vielä pieni alue parametrin tilaa, josta voi toivoa havainnoida kohtuullisen määrän hajoamista hyväksynnässä.

kuva 5

määrä tumma fotonit prosessin hajoaminen polkuja suurempi kuin 1 cm ja pienempi kuin 5 cm, funktiona ja eri arvojen . Integroiduksi luminositeetiksi katsotaan 1 ab-1.

tapahtumille on kuitenkin myös erityinen hyöty; näitä prosesseja voidaan itse asiassa käyttää myös mittaamaan tapahtumakohtaisesti pimeän fotonin varsinaista hajoamispolkua edellyttäen, että lopullinen tila mesoni hajoaa ainakin varautuneiksi hiukkasiksi. Tällöin jälkimmäisten hiukkasten sijainti määrittää alkutuotannon huippupisteen, kun taas hajoamisasento määräytyy tavalliseen tapaan yhden mukaan.

esimerkiksi tapahtumille voidaan käyttää prosessia, jossa pari mahdollistaa täsmällisen törmäyspisteen määrittämisen hinnalla vähentää hyödyllisten tapahtumien kokonaismäärää kertoimella ~0,43 . Koska olemme kiinnostuneita millimetrimittakaavan hajoamisreiteistä, fotonimuunnostaustan ei pitäisi olla enää ongelma. Kuitenkin, on fyysinen tausta on pidettävä nyt huomioon, nimittäin, Dalitz rappeutuminen,. Sen haarautumissuhteen voidaan arvioida olevan noin ~, niin että prosessi on ~ kertaa yleisempi kuin signaali, jos . Kuitenkin, tässä tapauksessa, ja vertices on sama sisällä detektorin resoluutio,. Näin ollen taustan pieneneminen kertoimella voidaan saavuttaa hyväksymällä vain sellaisia tapahtumia, joiden mitatut hajoamispolut ovat suurempia kuin . Lisäksi taustatapahtumilla oletetaan olevan laaja invariantti massajakauma, kun taas hajoamiset ovat kapea resonanssi tällaisessa kanavassa. Kun ei oteta huomioon muototekijöiden vaikutuksia, taustatapahtumien lukumäärä,, noin-ikkunassa on annettu suunnilleen

huomaa, että riippuvuus (5) suosii suurimassaisten tummien fotonien havainnointia. Toisaalta, koska hajoamispolku asteikot kuten, vaikutus äärellisen huippupiste resoluutio suosii havainto pienempi massa hiukkasia.

tietyssä kokeessa kaksi parametria olisi siksi mieluiten pidettävä mahdollisimman pieninä ,ja Otetaan esimerkiksi, MeV. Mukaan (5), taustatapahtumien määrä mielenkiintoisessa massa bin olisi tässä tapauksessa ~ MeV. Soveltamalla leikkaus edellä, tämä luku pienenee ~20. Siksi mm: lle signaalin merkitys (eli signaalin tapahtumien lukumäärä jaettuna taustan neliöjuurella) olisi ~. On tärkeää korostaa, että tässä tapauksessa palkkiputken mitat ovat ensin merkityksettömiä, koska kyse on suhteellisen lyhyistä hajoamispituuksista. Toisaalta on myös huomattava, että olemme tässä olettamassa täyttä havaitsemisen tehokkuutta, mikä saattaa paljastaa ylioptimistisen olettamuksen. Jatkumotapahtumien osalta vain realistisiin detektoriparametreihin perustuvat yksityiskohtaiset tutkimukset voivat lopulta arvioida menetelmän potentiaaleja.

6. Päätelmät

kokeellisesti etsitään uutta, vaaleaa, neutraalia bosonia, ”pimeää fotonia” tai, jota etsitään monissa laboratorioissa ympäri maailmaa käyttäen erilaisia havaitsemistekniikoita. Jos se on riittävän kevyt ja jos sen SM-hiukkasiin liittyvät liitokset vaimenevat kertoimella ≤ verrattuna tavallisen fotonin vastaaviin, se voi saada suhteellisen pitkän käyttöiän. Tätä tosiasiaa voidaan hyödyntää törmääjissä etsimällä alkutuotannon hyvin erottamaa hajoamispistettä tapahtumissa. Paperi osoittaa, että uuden sukupolven törmäyttimillä on mahdollisuudet hyödyntää tätä tekniikkaa täysimääräisesti ja ne voivat tutkia tehokkaita kytkimiä muutaman kerran ja massat ovat noin 10-100 MeV. Yleensä suositaan korkeaenergiaisempia koneita, koska tuotettujen (kevyiden) bosonien suurempi Lorentz-boost mahdollistaa toissijaisten kärkien paremman erottelun. On kuitenkin myös nähty, että tämän menetelmän toteuttaminen todellisiin tiloihin edellyttää vuorovaikutusalueen kunnollista suunnittelua ja seurantailmaisimen viisasta valintaa. Tietääksemme superbellen palkkiputken mitat eivät valitettavasti ole tässä suhteessa läheskään optimaaliset. Toisaalta, koska kaikki tulevat suuren luminositeetin tehtaat ovat vielä alustavassa suunnitteluvaiheessa, on mahdollista, että tässä tapauksessa vuorovaikutusalue voidaan suunnitella niin, että ehdotetun hakutekniikan herkkyys on mahdollisimman suuri. Tällainen kone voi myös tarjota täydentävää hakumenetelmää havainnoimalla siirtymään joutuneita kärkipisteitä täysin rekonstruoiduissa tapahtumissa, mikä siis lisää kiinnostusta tällaisen laitoksen rakentamiseen.

eturistiriidat

kirjoittaja ilmoittaa, ettei tämän paperin julkaisemiseen liity eturistiriitoja.

Acnowledgments

kirjoittaja haluaa kiittää S. Andreasta ja D. Babuscia avusta ja hyödyllisistä keskusteluista.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista.