Recherches de Photons sombres à l’aide de Sommets Déplacés à des Collisionneurs de basse Énergie

Résumé

L’existence d’une nouvelle particule massive semblable à un photon, le photon sombre ou, est postulée dans plusieurs extensions du Modèle standard. Ces modèles sont souvent préconisés pour expliquer certaines observations astrophysiques récentes déroutantes, ainsi que pour résoudre l’écart jusqu’à présent inexpliqué entre les valeurs mesurées et calculées de l’anomalie du muon. Les photons sombres peuvent être produits à des collisionneurs à la fois dans des événements continus et dans des transitions de mésons vectoriels et peuvent éventuellement se désintégrer en une paire électron-positron. Pour un bon choix des paramètres de la théorie, a peut avoir une durée de vie relativement longue et peut donc être observé comme un sommet bien séparé par le point d’interaction primaire. Ce cas est discuté en référence aux collisionneurs à très haute luminosité en construction ou à l’étude dans plusieurs laboratoires dans le monde. Il est montré qu’une stratégie de recherche basée sur la détection de sommets déplacés peut être en principe très efficace en couvrant une région assez large et à ce jour inexplorée de l’espace théorique des paramètres.

1. Introduction

Dans le Modèle standard (SM), les interactions entre particules élémentaires sont médiées par les bosons vecteurs des forces fortes, faibles et électromagnétiques. Les preuves expérimentales de l’existence de ces bosons sont convaincantes et des mesures précises de leurs propriétés ont été accumulées au cours des dernières décennies. De nouvelles forces peuvent avoir échappé à la détection jusqu’à présent, soit si leurs bosons associés sont très lourds, soit si leurs couplages à la matière ordinaire sont suffisamment faibles. Ce dernier cas a été préconisé, entre autres, dans des modèles qui tentent d’expliquer et de réconcilier entre eux plusieurs observations astrophysiques déroutantes effectuées ces dernières années. Ils sont parfois également utilisés pour réconcilier la valeur mesurée de l’anomalie muonique avec la prédiction SM, qui diffèrent d’environ 3,5 (voir, par exemple,).

Si de nouveaux bosons neutres légers (qui seront désormais appelés photons sombres) existent et s’ils sont mesurables, quoique faiblement, couplés à des particules SM, ils peuvent être produits et observés lors d’expériences de faisceaux de collision et de cibles fixes. En fait, il y a eu plusieurs tentatives pour observer des preuves de telles particules, en utilisant des données provenant d’installations en cours d’exécution ou d’anciennes expériences d’exploration de données. Aucune preuve de leur existence n’ayant été trouvée, des limites ont été fixées en fonction de la masse et de son couplage à la matière ordinaire.

Dans un avenir proche, de nouvelles expériences en construction devraient étendre ces limites dans une région de couplages et/ ou de masses jusqu’ici inexplorées. Tous sont conçus pour exploiter la production radiative de l’ par un faisceau d’électrons ou de positons très intense sur une cible haute correctement construite. Le but de la présente lettre est de montrer que des résultats comparables peuvent être obtenus par des collisionneurs électron-positron à haute luminosité et à basse énergie, tels que ceux en construction ou à l’étude dans plusieurs laboratoires dans le monde. Ces installations tireront parti de deux caractéristiques principales de construction qui concourent de manière cohérente à renforcer leur potentiel de découverte: leur luminosité cible très élevée et l’utilisation de faisceaux très compacts (ces deux caractéristiques sont en fait fortement corrélées). En fait, une luminosité élevée se traduit par la possibilité de sonder des sections de production plus faibles, c’est-à-dire des couplages efficaces plus faibles entre la matière et la matière ordinaire. D’autre part, les accouplements bas se traduisent par des chemins de désintégration plus longs, en particulier pour les masses basses. Ainsi, l’utilisation de faisceaux de très petites dimensions permet d’obtenir un signal clair en observant des sommets secondaires d’une masse invariante bien définie, bien séparés par le point d’interaction des faisceaux.

Dans l’article, ce cas sera discuté pour trois choix possibles différents de l’énergie du centre de masse de la machine, correspondant respectivement à la masse des mésons (1020), (1S) et (4S). Ce choix est motivé par les projets mentionnés ci-dessus. Il sera démontré que les machines à énergie plus élevée sont favorisées, non seulement parce qu’elles sont censées fournir des ensembles de données plus importants, mais aussi parce que celles qui y sont produites ont des chemins de désintégration plus longs, ceteris paribus. Les effets instrumentaux jouent cependant un rôle important dans la stratégie de détection réelle et peuvent dans certains cas réduire considérablement le potentiel de découverte de la méthode. Néanmoins, en particulier dans le cas d’une usine de charme à haute luminosité, elle reste suffisamment élevée pour être compétitive par rapport aux expériences à cible fixe mentionnées ci-dessus.

L’article est organisé comme suit. Tout d’abord, le cadre théorique de l’article est discuté, ainsi qu’une brève présentation des limites expérimentales de l’existence des photons sombres obtenus jusqu’à présent. Le cas des recherches dans des collisionneurs à faible énergie et à haute luminosité est discuté à la section 3, suivie de quelques considérations sur la mise en œuvre réelle de la méthode proposée dans des installations existantes ou prévues. Les désintégrations du méson vecteur radiatif sont discutées à la section 5. Les conclusions sont données à la section 6.

2. Cas de physique

Dans de nombreux nouveaux scénarios de physique, le SM est étendu en ajoutant simplement une symétrie supplémentaire, sous laquelle les particules SM sont déchargées au premier ordre. Le boson de jauge associé à la nouvelle symétrie, le, peut encore interagir avec la matière ordinaire via un mélange cinétique décrit par un Lagrangien d’interaction efficace. Considerwhere désigne le champ. Le facteur de mélange cinétique paramétrise la force de couplage par rapport à la charge électrique et est prédit dans divers modèles pour être dans la plage. La masse du photon sombre reste imprévisible. Pour des raisons phénoménologiques, cependant, les masses dans la gamme MeV–GeV, qui présentent un intérêt pour le présent travail, sont favorisées.

Il peut exister des particules de matière non SM qui sont sensibles à la nouvelle interaction. Souvent, ils sont supposés être le constituant principal de la composante de matière noire encore non découverte de l’univers (DM) et doivent donc être électriquement neutres et stables. Si elle est cinématiquement autorisée, la volonté se désintègre de préférence en paires de ces particules; ainsi sa désintégration devient « invisible. »Le cas de la détection de désintégrations invisibles est discuté, par exemple, dans. D’autre part, si le photon sombre est plus léger que le DM, il est forcé de se désintégrer en une paire de particules SM, avec une largeur régulée par (1). Dans ce cas, son temps approprié est approximativement donné par où est le nombre de canaux de désintégration SM autorisés par la cinématique.

Il y a eu plusieurs tentatives d’observation expérimentale d’un signal, en utilisant de nombreuses techniques différentes. La figure 1, tirée de la référence, montre le tracé d’exclusion dans le plan, résultant des recherches mentionnées ci-dessus. L’expérience de décharge de faisceau d’électrons couvre la région des basses masses et des très bas couplages, jusqu’à ~. Pour les masses supérieures et les couplages inférieurs, les limites proviennent principalement des désintégrations du méson et des expériences de diffusion électron-nucléon et des données des usines B. Des informations importantes, non représentées sur la figure 1, peuvent également être déduites par des observations astrophysiques (voir par exemple et les références qui y figurent). Pour 10-20 MeV, la région avec reste largement inexplorée.

Figure 1

Région exclue dans le plan résultant des données actuellement disponibles. L’expérience de décharge de faisceau d’électrons couvre la région des basses masses et des très bas couplages, jusqu’à ~. Pour les masses supérieures et les couplages inférieurs, les limites proviennent principalement des désintégrations du méson et des expériences de diffusion électron-nucléon et des données des usines B (avec l’aimable autorisation de S. Andreas). L’intrigue rapporte également les projections pour les expériences actuellement en construction. Pour plus de détails sur les expériences individuelles, voir.

Il existe actuellement diverses expériences en cours ou en construction visant à sonder une partie de cette région. Tous sont conçus pour exploiter la production radiative de l’ par un faisceau d’électrons ou de positons très intense sur une cible haute correctement construite. En particulier, l’expérience HPS au laboratoire Thomas Jefferson (États-Unis) est conçue pour couvrir la région, MeV (voir Figure 1).

Dans ce qui suit, le cas de la recherche de photons sombres dans la même région d’espace de paramètres à un collisionneur de très haute luminosité sera discuté.

3. Recherches sur les collisionneurs

Au cours des dernières décennies, une grande quantité de données ont été collectées dans des usines de saveur à haute luminosité fonctionnant à différentes énergies de centre de masse. Ces données vont du ~ 2 fb-1 livré au pic (1020) par le collisionneur italien DANE au 0,5–1 ab−1 produit par les usines B de PEP-II (États-Unis) et KEK-B (Japon). Dans un avenir proche, une augmentation constante des statistiques ci-dessus est attendue à la fois chez DANE et chez KEK-B, qui vise à augmenter leur échantillon de données par des facteurs de 10 et 50, respectivement. Une option permettant d’augmenter l’énergie du centre de masse du DANOIS jusqu’à 2,5 GeV a été prise en compte. Enfin, des études pour la construction d’un collisionneur capable de délivrer ~1 ab−1 autour du seuil de charme sont à l’étude en Italie, en Russie et en Chine (voir par exemple).

À ce jour, les recherches de photons sombres au niveau des collisionneurs ont été poursuivies principalement en étudiant le processus avec la désintégration subséquente du en une paire. Cela limite la recherche à, ce qui, en conséquence de (2), entraîne une durée de vie incroyablement courte. Par conséquent, le signal peut être séparé par le fond QED plus copieux et autrement indiscernable, uniquement en observant un pic aigu dans la distribution de masse invariante de la paire de leptons d’état final.

La question se pose de savoir s’il serait possible d’étendre la recherche également à la région avec et en particulier avec. Le message principal du présent document est que l’augmentation prévue de l’échantillon de données potentiellement disponibles permet de donner une réponse positive à la question ci-dessus, non seulement en raison de la sensibilité statistique accrue, mais aussi parce qu’elle ouvre la porte à la possibilité d’observer un signal clair pendant une longue durée, ce qui n’est que marginal avec les données actuellement disponibles.

Ici et dans ce qui suit, par souci de simplicité, seul le cas des machines symétriques est considéré. De plus, puisque nous nous intéressons au cas avec, le photon sombre ne peut se désintégrer qu’en une paire.

La section transversale différentielle pour la production radiative dans les collisions est donnée par où est l’angle entre le positron entrant et le photon sortant et désigne l’énergie du centre de masse de l’événement. En intégrant l’équation ci-dessus entre, on obtient une section transversale totale d’environ µb, µb et nb pour, 3,1 et 10,5 GeV, respectivement. Ainsi, dans les échantillons de données actuellement disponibles, on peut en trouver quelques dizaines.

En raison de la cinématique des deux corps, le photon sombre est amplifié dans le cadre du laboratoire par un facteur. Par conséquent, pour de petits mélanges cinétiques et pour des masses de photons sombres suffisamment faibles, sa durée de vie dans le cadre du laboratoire devient importante. Par exemple, pour et MeV, le chemin de désintégration moyen d’un photon sombre est de ~ 1, 3 et 10 cm pour, 3,1 et 10,5 GeV, respectivement.

Ces longs chemins de désintégration peuvent-ils être exploités pour séparer un signal potentiel du fond QED? De toute évidence, bien que le sommet secondaire puisse être déterminé avec des techniques de sommet standard, il ne peut pas l’être, événement par événement. D’autre part, la position et la taille réelles de l’enveloppe de collision peuvent être déterminées sur une base statistique en utilisant des processus connus, tels que la diffusion de Bhabha ou la production de paires de muons. Il est intéressant de noter que dans toutes les installations considérées, l’une des stratégies utilisées pour maximiser la luminosité consiste à maintenir les dimensions du faisceau transversal au point d’interaction aussi petites que possible, typiquement ≤1 mm. Par conséquent, en supposant une distribution parfaitement gaussienne de la tache de faisceau, avec une dimension transversale maximale de 1 mm, la probabilité d’observer un sommet à partir de processus QED standard à une distance transversale de 1 cm ou plus du centre de la tache de collision est pratiquement nulle. D’autre part, le nombre d’événements de décroissance avec un chemin de décroissance transversal supérieur à 1 cm, peut atteindre plusieurs milliers, en fonction de la valeur réelle de ,, et et de la luminosité intégrée par la machine,.

La figure 2 montre la variation de en fonction de, pour différentes valeurs de et pour trois conditions expérimentales différentes: (a) GeV, fb−1; (b) GeV,; (c) GeV, ab−1. Les valeurs choisies pour correspondent aux performances cibles pour les installations en construction ou à l’étude mentionnées ci-dessus. Le comportement des courbes s’explique facilement. Car le chemin de désintégration moyen d’un photon sombre est beaucoup plus grand que 1 cm, et augmente donc avec, indépendamment de. Il atteint finalement un pic et descend rapidement vers zéro, tant que, avec l’augmentation, la durée de vie devient de plus en plus courte. La position du pic est déterminée par le bon équilibre entre l’effet de la section de production, qui augmente avec, et celui de la durée de vie qui diminue avec. Cela dépend aussi de la valeur de, le chemin de décroissance décroissant à nouveau quadratiquement avec lui. On voit que, malgré la section de production plus faible, la luminosité intégrée attendue la plus élevée combinée aux facteurs de suralimentation plus élevés favorise l’option B-factory (cas (c)). Dans ce cas, cependant, le pic de la distribution, notamment pour des masses plus faibles, est obtenu pour des valeurs du mélange cinétique ~. On peut noter également que dans le cas (a) le nombre de photons sombres observables de masses supérieures à ~ 30 MeV devient désespérément faible. Cela n’est pas seulement dû à la luminosité plus faible, mais aussi au boost de Lorentz réduit, conséquence de l’énergie de centre de masse plus faible de la collision.

Bien que les résultats obtenus jusqu’à présent semblent très encourageants d’un point de vue général, la mise en œuvre de la stratégie de recherche ci-dessus dans une expérience réelle présente deux limites principales. D’une part, pour des valeurs spécifiques des paramètres, la durée de vie devient si longue qu’une partie pertinente des désintégrations échapperait à la détection d’un appareil de dimensions réalistes. Par exemple, pour GeV,, et MeV, le chemin de désintégration moyen est d’environ 1,5 m. Plus important encore, un fond instrumental très dangereux entre en service, à savoir des conversions de photons sur le matériau détecteur induites par des événements. Ceci est particulièrement pertinent car les expériences sont souvent conçues pour avoir des tuyaux de faisceau avec de très petits rayons au point d’interaction. Bien que l’on puisse essayer de minimiser la probabilité de conversion sur les éléments détecteurs, en choisissant correctement le type et les dimensions des matériaux, la section du processus est tellement plus grande que celle du signal (en fait, elle est plus grande d’un facteur) que ce fond devient rapidement imbattable.

Le moyen le plus simple de faire face à ce problème est de permettre une région vide suffisamment grande autour du point d’interaction, où les photons ne peuvent pas interagir avec la matière et les photons sombres peuvent subir au moins en partie leur désintégration. Il serait alors raisonnable d’accepter uniquement des événements dont les sommets de désintégration se produisent avant le tube de faisceau mais encore loin (1 cm) du centre nominal du point de faisceau. En supposant un tube de faisceau de 5 cm de rayon, tel que celui actuellement utilisé par l’expérience KLOE-2 à DANE, le nombre d’événements ainsi obtenus dans les limites de l’acceptation,, est représenté à la figure 3 pour les trois cas considérés.


( a)

( d)

( c)


( a)
(b)
(c)

Figure 3

Identique à la figure 2, avec la demande supplémentaire que le chemin de désintégration transversale soit inférieur à 5 cm.

Pour des valeurs élevées de, cette coupure d’acceptation n’affecte pas de manière observable les distributions précédentes. En fait, dans ce cas, la durée de vie est si courte que presque tous les photons sombres se désintègrent bien avant 5 cm. Pour des valeurs inférieures de, au contraire, la conséquence de la réduction de l’acceptation est plus visible et peut diminuer le nombre d’événements acceptés d’un ordre de grandeur, en particulier pour des masses très faibles. Cependant, et c’est l’un des principaux messages de cet article, le nombre d’événements potentiellement observables reste encore considérable pour une large région de l’espace des paramètres, en particulier pour les options de machines à plus haute énergie. En particulier, permettant également une certaine inefficacité de détection supplémentaire, on peut voir que des mélanges cinétiques jusqu’à peu de temps et des masses jusqu’à ~ 200 MeV peuvent être sondés.

Basé uniquement sur des statistiques de signal (c.-à-d., sans tenir compte d’éventuels effets de résolution du détecteur et d’autres arrière-plans instrumentaux possibles), cela se traduit par les régions explorables illustrées à la figure 4, pour les trois cas considérés. Alors que le cas (a) couvre presque entièrement une région déjà exclue par des expériences précédentes de largage de faisceaux, les cas (b) et (c) peuvent potentiellement sonder une région inexplorée relativement large (voir Figure 1). D’autre part, il convient également de souligner que cette même région devrait être couverte par les futures expériences à cibles fixes susmentionnées (voir à nouveau la figure 1).

Figure 4

Région explorable pour les cas (a) solides, (b) pointillés et (c) pointillés dans le plan. Aucun arrière-plan instrumental n’est pris en compte, ainsi que les effets potentiels d’efficacité et de résolution pour le détecteur. Au-dessus de ~ 210 MeV, l’ouverture du canal à 2 muons réduit considérablement l’efficacité de la méthode.

Il convient de souligner une fois de plus que l’exigence d’observer un chemin de décroissance à l’échelle cm rejette idéalement tous les arrière-plans physiques possibles de notre signal. Néanmoins, d’autres effets instrumentaux doivent être soigneusement pris en compte, comme discuté dans la section suivante.

4. Mise en œuvre dans les Installations actuelles et futures

Il est intéressant de comprendre à quel point il serait difficile de mettre en œuvre pratiquement sur de véritables installations expérimentales les idées discutées jusqu’à présent. Cela nécessite une connaissance détaillée de la conception réelle de la machine et du détecteur et des performances attendues (ou mesurées). Seules des études spécifiques basées sur ces chiffres peuvent finalement déterminer si la méthode est applicable ou non, dans quelle mesure et sur quelle machine. Une différence évidente entre nos modèles simplifiés et la réalité peut être trouvée par exemple dans le cas (c); les anciennes et futures usines B sont en fait des machines asymétriques, le faisceau d’électrons étant de plus grande énergie par rapport au positron. Bien que cela puisse modifier quelque peu les exigences d’acceptation spécifiques en ce qui concerne l’option symétrique discutée dans le présent document, il est toutefois raisonnable de supposer que des conclusions similaires peuvent encore être tirées.

Pour des raisons générales, quatre paramètres doivent être pris en compte : la cadence de production primaire, les dimensions des poutres, celles du tube de poutre et les capacités de sommet du détecteur.

En ce qui concerne le premier point, malgré la section de production plus élevée, l’option -usine (cas (a)) est moins performante que les deux autres, non seulement en raison de la luminosité intégrée beaucoup plus faible, mais aussi, comme indiqué précédemment, en raison de la limitation intrinsèque due aux facteurs de boost de Lorentz inférieurs. La proposition de faire fonctionner DANE à des énergies plus élevées est, à cet égard, particulièrement intéressante car cela permettrait d’augmenter proportionnellement les chemins de désintégration.

Comme indiqué précédemment, pour toutes les machines considérées, les dimensions des poutres sont maintenues très faibles dans le sens transversal. Par exemple, chez DANE, les poutres ont ~ 1,5 mm, ~ 0,02 mm, et des dimensions beaucoup plus faibles chez les autres machines. Notez que les figures 2 et 3, sur lesquelles nous basons notre stratégie de recherche, se réfèrent à des chemins de désintégration transversaux, de sorte que les dimensions du faisceau dans la direction longitudinale ne sont pas pertinentes pour nos conclusions. De toute évidence, les queues non gaussiennes de l’enveloppe de collision peuvent dans une certaine mesure augmenter la contamination de fond. Cependant, s’ils ne sont pas complètement supprimés, ils peuvent encore être étudiés en utilisant d’autres processus connus, comme pour la partie gaussienne.

Les dimensions réelles du faisceau constituent un réel problème. Parmi les installations existantes, KLOE-2 à DANE est la seule à avoir un rayon de faisceau au point d’interaction de 5 cm. Quant aux machines fonctionnant au seuil de charme, la seule actuellement en service, le collisionneur chinois BEPC, a un tube de faisceau au point d’interaction de 3,5 cm de rayon; cependant, sa luminosité actuelle est environ un facteur 100 inférieure à celle requise par nos arguments à cette énergie. Pour les usines B, les rayons du tube de faisceau vont de 2,5 cm pour le détecteur BaBar à 1 cm pour la future SuperBelle.

Bien qu’une reconsidération de la région interne de SuperBelle soit probablement très peu probable, dans le cas d’une future usine de charme à haute luminosité, il est concevable que la région d’interaction puisse être conçue de manière à maximiser la sensibilité pour la recherche de photons sombres considérée. Il convient de noter ici que la demande de minimiser les dimensions du tuyau de poutre vient au premier ordre de l’expérience plus que de la machine. En fait, ils sont en quelque sorte anticorrélés avec les capacités de sommet du détecteur. En fait, la résolution d’une mesure de longueur de décroissance pour un détecteur générique est approximativement proportionnelle à la résolution en un point du dispositif de suivi le plus interne et inversement proportionnelle à sa distance du point de décroissance. A cet égard, la situation la moins favorable est celle de KLOE-2, dont le premier dispositif de poursuite, un détecteur cylindrique à triple GEMME, a un rayon interne de 12 cm et une résolution ponctuelle d’environ 200 µm. Pourtant, sa résolution de sommet estimée pour les événements est de 1 à 2 mm. L’utilisation de détecteurs en silicium, qui peuvent avoir une résolution ponctuelle unique de l’ordre de 10 µm, serait certainement améliorée par rapport au boîtier KLOE-2. Visiblement, toutes les expériences LEP, qui avaient des tuyaux de faisceau de 5,5 cm, ont pu atteindre une résolution de longueur de désintégration typique de ~ 250 µm pour les événements de désintégration B, grâce à l’utilisation de détecteurs au silicium. Cela implique que, compte tenu de la longueur de décroissance de l’échelle cm à laquelle nous nous sommes intéressés jusqu’à présent, la résolution des sommets ne devrait pas être un problème majeur. D’autre part, il peut jouer un rôle pertinent dans les considérations discutées dans la section suivante.

5. Désintégrations du méson

Les collisionneurs électron-positron fournissent également un mécanisme de production utile via les désintégrations du méson vectoriel radiatif. En fait, pour chaque désintégration observée (et étant un vecteur et un méson pseudoscalaire, resp.), il pourrait y avoir un processus, supprimé par un facteur par rapport au premier. Ce fait a en fait été exploité par la collaboration KLOE-2 qui a cherché le photon sombre en utilisant le processus in. En ce qui concerne les recherches dans le canal, le signal est séparé par le fond SM (décroissance de Dalitz) en recherchant un pic dans la distribution de masse invariante de la paire de leptons d’état final. Cependant, une fois que la durée de vie devient importante, ces événements se caractérisent également par la présence de sommets clairement séparés par le point de collision, permettant ainsi l’utilisation de la stratégie de recherche décrite dans les sections précédentes.

Le nombre de produits est donné paroù est le nombre de mésons vectoriels produits, et est le rapport de ramification pour la désintégration radiative standard correspondante.

Considérons tout d’abord le processus mentionné ci-dessus. A-factory, ~mesons sont produits chaque fois livrés par la machine. Depuis, on voit facilement que le nombre d’événements de signal produits, en supposant, devient négligeable pour. D’autre part, pour des valeurs plus élevées de, le chemin de décroissance moyen devient incommensurablement court (par rapport aux résolutions de sommets à l’échelle millimétrique), mais pour des masses très faibles. Par exemple, car il est déjà de 0,8 (0,2) cm, pour MeV. À moins donc d’intégrer des luminosités largement supérieures à celles attendues de la machine considérée actuellement, le procédé n’est guère applicable à ce canal de décroissance.

Passons maintenant à la transition. Ce processus a déjà été étudié dans, où, cependant, le cas des photons sombres de courte durée est considéré uniquement. Comme précédemment, on a /fb-1, en cours d’exécution au sommet. Considérant cela, on obtient ~ 150 événements pour et ab−1. D’autre part, pour cette valeur de mélange cinétique, le chemin de décroissance moyen n’est du bon ordre de grandeur que pour une plage limitée de valeurs de masse. Il est, par exemple, de 11,2, 2,8 et 0,45 cm pour = 10, 20 et 50 MeV, respectivement. L’effet de ceci est vu sur la figure 5 où le nombre de désintégrations se produisant à une distance comprise entre 1 et 5 cm du point d’interaction est représenté en fonction de, pour différentes valeurs de. Contrairement au cas, ici, c’est l’effet de la durée de vie courte qui domine, du moins pour les valeurs de mélange cinétique d’intérêt, car pour des masses de photons sombres plus élevées et suffisamment faibles, la quasi-totalité des survivent pendant moins de 1 cm. Notez également qu’une réduction supplémentaire du nombre d’événements observables doit être envisagée en raison de considérations d’acceptation géométrique. Pourtant, il reste une petite région de l’espace des paramètres pour laquelle on peut espérer observer un nombre raisonnable de désintégrations dans l’acceptation.

Figure 5

Nombre de photons sombres du processus avec des chemins de désintégration supérieurs à 1 cm et inférieurs à 5 cm, en fonction de et pour diverses valeurs de. Une luminosité intégrée de 1 ab−1 est considérée.

Il y a cependant un autre avantage spécifique des événements; ces processus peuvent en fait être utilisés également pour mesurer, événement par événement, le trajet réel de désintégration des photons noirs, à condition que le méson à l’état final se désintègre en au moins une paire de particules chargées. Dans ce cas, la position de ces dernières particules détermine le sommet de production primaire, tandis que la position de décroissance est déterminée, comme d’habitude, par celle-ci.

Par exemple, pour les événements, on peut utiliser le processus, où la paire permet de déterminer exactement le point de collision, au prix de réduire la quantité totale d’événements utiles d’un facteur ~ 0,43. Puisque nous nous intéressons aux chemins de désintégration à l’échelle millimétrique, le fond de conversion des photons ne devrait plus poser de problème. Cependant, il y a un contexte physique à garder maintenant en considération, à savoir, la désintégration de Dalitz du,. Son rapport de ramification peut être estimé à environ ~, de sorte que le processus est ~ fois plus fréquent que le signal, si. Cependant, dans ce cas, les sommets et doivent coïncider dans la résolution du détecteur, . Par conséquent, une réduction du fond d’un facteur peut être obtenue en n’acceptant que les événements dont les chemins de désintégration mesurés sont supérieurs à. De plus, les événements de fond devraient avoir une large distribution de masse invariante, tandis que les désintégrations sont une résonance étroite dans ce canal. Sans tenir compte des effets du facteur de forme, le nombre d’événements de fond,, dans une fenêtre d’environ est donné approximativement par

Notez que la dépendance à (5) favorise l’observation de photons noirs de masse supérieure. D’autre part, étant donné que le chemin de désintégration évolue au fur et à mesure, l’effet d’une résolution de sommet finie favorise l’observation de particules de masse inférieure.

Dans une expérience donnée, par conséquent, deux paramètres devraient idéalement être maintenus aussi petits que possible, et. Prenez, par exemple,, MeV. Selon (5), le nombre d’événements d’arrière-plan dans le bac de masse intéressant serait dans ce cas ~ pour MeV. En appliquant la coupe décrite ci-dessus, ce nombre se réduit à ~ 20. Par conséquent, pour mm, la signification du signal (c’est-à-dire le nombre d’événements de signal divisé par la racine carrée de l’arrière-plan) serait ~. Il est important de souligner que dans ce cas, les dimensions du tuyau de poutre sont au premier ordre sans importance, car nous avons affaire à des longueurs de décroissance relativement courtes. D’autre part, il faut également noter que nous supposons ici une efficacité de détection totale qui pourrait révéler une hypothèse suroptimiste. En ce qui concerne les événements de continuum, seules des études détaillées basées sur des paramètres de détecteur réalistes peuvent enfin évaluer les potentiels de la méthode.

6. Conclusions

Des recherches expérimentales pour un nouveau boson léger et neutre, le « photon sombre » ou, sont poursuivies dans de nombreux laboratoires dans le monde, en utilisant différentes techniques de détection. Si le est suffisamment léger et si ses couplages avec les particules SM sont supprimés d’un facteur ≤ par rapport à ceux du photon ordinaire, il peut acquérir une durée de vie relativement longue. Ce fait peut être exploité chez les collisionneurs en recherchant un sommet de désintégration bien séparé par celui de production primaire, dans les événements. L’article montre que les collisionneurs de nouvelle génération ont le potentiel d’exploiter pleinement cette technique et peuvent explorer des couplages efficaces jusqu’à peu de temps et de masses dans la plage de 10 à 100 MeV environ. En général, les machines à énergie plus élevée sont favorisées, car le boost de Lorentz plus élevé des bosons produits (légers) permet une meilleure séparation des sommets secondaires. On voit également cependant que la mise en oeuvre de ce procédé sur des installations réelles nécessite une conception correcte de la région d’interaction et un choix judicieux du détecteur de poursuite. À notre connaissance, malheureusement, les dimensions des tubes de poutre de SuperBelle sont loin d’être optimales à cet égard. D’autre part, étant donné que toutes les futures usines de charme à haute luminosité sont encore en phase d’étude préliminaire de conception, il est concevable que dans ce cas la région d’interaction puisse être conçue de manière à maximiser la sensibilité pour la technique de recherche proposée. Une telle machine peut également fournir une méthode de recherche complémentaire par l’observation de sommets déplacés dans des événements entièrement reconstruits, renforçant ainsi l’intérêt pour la construction d’une telle installation.

Conflit d’intérêts

L’auteur déclare qu’il n’y a pas de conflit d’intérêts concernant la publication de cet article.

Acnowledgments

L’auteur remercie S. Andreas et D. Babusci pour leur aide et leurs discussions utiles.

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