저에너지 충돌기에서 변위된 꼭지점을 이용한 어두운 광자 검색

추상

새로운 광자와 같은 거대한 입자 또는 어두운 광자의 존재는 표준 모델의 여러 확장에서 가정된다. 이 모델들은 뮤온 변칙의 측정 된 값과 계산 된 값 사이의 지금까지 설명 할 수없는 편차를 해결하기 위해 최근의 수수께끼 같은 천체 물리학 적 관측을 설명하기 위해 종종 옹호된다. 어두운 광자는 연속 사건과 벡터 중간자 전이 모두에서 충돌기에서 생성 될 수 있으며 결국 전자-양전자 쌍으로 붕괴 될 수 있습니다. 이론의 매개 변수의 적절한 선택을 위해,상대적으로 긴 수명을 가질 수 있으므로 기본 상호 작용 점에 의해 잘 분리 된 꼭지점으로 관찰 될 수 있습니다. 이 경우는 건설 중이거나 세계의 여러 실험실에서 연구중인 매우 높은 광도 충돌기와 관련하여 논의됩니다. 변위된 꼭지점의 탐지를 기반으로 한 검색 전략은 원칙적으로 이론적 매개 변수 공간의 다소 넓고 현재까지 탐험되지 않은 영역을 다루는 데 매우 효과적 일 수 있음을 보여줍니다.

1. 소개

표준 모델(에스엠)에서,기본 입자 간의 상호 작용은 강한,약한,전자기력의 벡터 보손에 의해 매개된다. 그 보손들의 존재에 대한 실험적 증거는 설득력 있고 그들의 특성에 대한 정확한 측정은 지난 수십 년 동안 축적되어왔다. 새로운 힘은 지금까지 탐지를 탈출 할 수 있습니다,중 관련 보손이 매우 무거운 경우 또는 일반 물질에 자신의 커플 링이 충분히 약한 경우. 후자의 경우는 최근 몇 년 동안 수행 된 몇 가지 수수께끼 같은 천체 물리학 적 관측을 설명하고 화해시키려는 모델에서 다른 사람들 사이에서 옹호되었다. 뮤온 변칙의 측정값과 뮤온 변칙의 예측값을 조정하는데 사용되기도 하는데,이는 대략 3.5 정도 차이가 난다(예를 들어,참조).

만약 새로운,빛,중립 보손(지금부터 호출 됩니다 또는 어두운 광자)존재 하 고 그들은 잴 수 있는 경우,약하지만,결합,그들은 생산 하 고 충돌 빔 및 고정 대상 실험에서 관찰할 수 있습니다. 사실,실행 시설 또는 데이터 마이닝 오래된 실험에서 데이터를 사용하여,이러한 입자에 대한 증거를 관찰하기 위해 여러 시도가 있었다. 그들의 존재에 대한 증거가 발견되지 않았기 때문에,질량과 그것의 결합의 함수로 한계가 설정되었습니다.

가까운 미래에 건설중인 새로운 실험은 지금까지 탐험되지 않은 커플 링 및/또는 질량의 영역에서 이러한 한계를 확장 할 것으로 예상됩니다. 그들 모두는 제대로 구축 높은 대상에 매우 강렬한 전자 또는 양전자 빔에 의해의 복사 생산을 이용하도록 설계되었습니다. 현재 편지의 목적은 높은 광도 및 낮은 에너지 전자 양전자 충돌,건설 또는 세계의 여러 실험실에서 연구 중인 것과 같은 비교 결과 얻을 수 있습니다 표시 하는 것입니다. 이 시설들은 발견 잠재력을 향상시키기 위해 일관성있게 공모하는 두 가지 주요 건설 기능을 활용할 것입니다:매우 높은 목표 광도와 매우 컴팩트 한 빔 사용(이 두 기능은 실제로 강하게 상관 관계가 있음). 실제로,높은 광도는 낮은 생산 단면,즉 일반 물질과 일반 물질 사이의 낮은 유효 커플 링을 프로빙 할 수있는 가능성으로 해석됩니다. 반면에,낮은 커플 링은 특히 낮은 질량의 경우 더 긴 붕괴 경로로 변환됩니다. 따라서 매우 작은 크기의 빔을 사용하면 빔의 상호 작용 점에 의해 잘 분리 된 잘 정의 된 불변 질량의 2 차 정점을 관찰하여 명확한 신호를 얻을 수 있습니다.

이 논문에서,이 경우는(1020),(1 초)및(4 초)중간자의 질량에 각각 해당하는 기계 질량 중심 에너지의 세 가지 가능한 선택에 대해 논의 될 것입니다. 이 선택은 위에서 언급 한 프로젝트에 의해 동기 부여됩니다. 더 높은 에너지 기계가 더 큰 데이터 세트를 제공 할 것으로 예상되기 때문에뿐만 아니라 그 안에서 생성 된 것이 더 긴 붕괴 경로를 가지고 있기 때문에 선호된다는 것을 보여줄 것입니다. 그러나 기 계 효과 실제 탐지 전략에 관련 된 역할을 재생 하 고 경우에 따라서는 극적으로 방법의 발견 가능성을 줄일 수 있습니다. 그럼에도 불구하고,특히 고광도-매력 공장의 경우,위에서 언급 한 고정 대상 실험에 대한 경쟁력이 충분히 높은 남아있다.

논문은 다음과 같이 구성되어 있습니다. 첫째,이 논문의 이론적 틀은 지금까지 얻은 어두운 광자의 존재에 대한 실험적 한계의 짧은 발표와 함께 논의됩니다. 낮은 에너지,높은 광도 충돌기에서 검색에 대 한 경우 섹션 3,기존,또는 계획,시설에 제안 된 방법의 실제 구현에 몇 가지 고려 사항에 의해 설명 됩니다. 복사 벡터 중간자 붕괴 섹션 5 에서 설명 됩니다. 결론은 섹션 6 에 나와 있습니다.

2. 물리학 사례

많은 새로운 물리학 시나리오에서,에스엠은 단순히 추가 대칭을 추가하여 확장됩니다. 새로운 대칭에 관련 된 게이지 보손,는,여전히 효과적인 상호 작용 라그랑지안에 의해 설명 하는 운동 혼합을 통해 일반 물질과 상호 작용할 수 있습니다. 고려 어디 필드를 나타냅니다. 운동 혼합 계수는 전기 전하에 대한 커플 링 강도를 매개 변수화하고 다양한 모델에서 범위에 있다고 예측됩니다. 어두운 광자의 질량은 예측할 수 없습니다. 그러나 현상학적 근거에 따라 현재 작업에 관심이 있는 메브–게브 범위의 대중이 선호된다.

새로운 상호 작용에 민감한 비-에스엠 물질 입자가 존재할 수 있다. 종종 그들은 우주의 아직 발견되지 않은 암흑 물질 구성 요소의 주요 구성 요소로 가정되며 따라서 전기적으로 중립적이고 안정적이어야합니다. 운동 적으로 허용되는 경우,의지는 바람직하게는 이들 입자의 쌍으로 붕괴된다;따라서 그 붕괴는”보이지 않게됩니다.”보이지 않는 붕괴를 탐지하는 경우는 예를 들어 논의됩니다. 다른 한편으로,어두운 광자가 디엠보다 가볍다면,그것은(1)에 의해 조절되는 폭과 함께 한 쌍의 에스엠 입자로 붕괴하도록 강요된다. 이 경우 적절한 시간은 대략 어디 의 수 에스 미디엄 붕괴 채널 운동학에 의해 허용됩니다.

다양한 기술을 사용하여 신호를 실험적으로 관찰하려는 시도가 여러 번 있었다. 참조에서 가져온 그림 1 은 위에서 언급 한 검색으로 인한 평면의 제외 플롯을 보여줍니다. 전자빔 덤프 실험은~까지,낮은 질량과 매우 낮은 커플 링의 영역을 다룹니다. 더 높은 질량과 더 낮은 커플 링의 경우,한계는 주로 중간자 붕괴 및 전자-핵자 산란 실험 그리고 비 공장 데이터. 그림 1 에 도시되지 않은 중요한 정보는 또한 천체 물리학 적 관찰에 의해 추론 될 수 있습니다(예를 들어 그 안에있는 참고 문헌 참조). 에 대한 10-20 메가,와 지역은 크게 미개척 남아.

그림 1

현재 사용 가능한 데이터로 인한 평면에서 제외된 영역입니다. 전자빔 덤프 실험은~까지,낮은 질량과 매우 낮은 커플 링의 영역을 다룹니다. 더 높은 질량과 더 낮은 커플 링의 한계는 주로 중간자 붕괴 및 전자-핵자 산란 실험과 비 공장 데이터(플롯 제공 에스. 플롯은 또한 현재 건설중인 실험에 대한 예측을보고합니다. 단일 실험에 대한 자세한 내용은 다음을 참조하십시오.

현재이 지역의 일부를 조사하는 것을 목표로 실행 중이거나 건설중인 다양한 실험이 있습니다. 그들 모두는 제대로 구축 높은 대상에 매우 강렬한 전자 또는 양전자 빔에 의해의 복사 생산을 이용하도록 설계되었습니다. 특히,미국 토머스 제퍼슨 연구소의 하이퍼바이저 실험은 이 지역을 포괄하도록 설계되었습니다(그림 1 참조).

다음에서는,매우 높은 광도 충돌기에서 동일한 파라미터 공간 영역에서 어두운 광자를 찾는 경우에 대해 논의할 것이다.

3. 콜라이더

에서 검색 지난 수십 년 동안 대량 에너지의 다른 센터에서 작동 하는 높은 광도 맛 공장에서 많은 양의 데이터를 수집 되었습니다. 이 데이터는 이탈리아 콜라이더 데인이(1020)최고봉에서 전달한~2 피트−1 에서 미국 펩 2 와 켁비(일본)의 비공장에서 생산한 0.5–1 에 이르기까지 다양합니다. 가까운 장래에,상기 통계의 일관된 증가는 각각 10 및 50 의 요인에 의해 데이터 샘플을 증가시키는 것을 목표로 데인 및 켁비 모두에서 예상된다. 데인의 질량 에너지 중심을 최대 2.5 까지 증가시키는 옵션이 고려되었습니다. 마지막으로,매력 임계 값 주위에~1 을 전달할 수있는 충돌기 건설에 대한 연구가 이탈리아,러시아 및 중국에서 고려 중입니다(예:참조).

현재로서는,충돌체에서 어두운 광자에 대한 검색은 주로 한 쌍으로 붕괴되는 과정을 연구함으로써 추구되어 왔다. 이것은 검색을(2)의 결과로 수명이 측정 할 수 없을 정도로 짧아지는 것으로 제한합니다. 따라서 신호는 최종 상태 렙톤 쌍의 불변 질량 분포에서 날카로운 피크를 관찰함으로써 더 풍부하고 구별 할 수없는 질의 배경에 의해 분리 될 수 있습니다.

의문점은,검색을 함께 그리고 특히 함께 지역으로 확장할 수 있을 것인가에 관한 것이다. 본 논문의 주요 메시지는 잠재적으로 사용할 수 있는 데이터 샘플의 예견된 증가 하나 위의 질문에 긍정적인 대답을 줄 수 있습니다.,뿐만 아니라 증가 통계 감도 때문에 하지만 또한 긴-수명에 대 한 명확한 신호를 관찰의 가능성에 문을 열기 때문에,현재 사용할 수 있는 데이터만 한계.

여기 그리고 그 다음에,단순성을 위해 대칭 기계의 경우 만 고려됩니다. 또한,우리는 경우에 관심이 있기 때문에 어두운 광자는 한 쌍으로 만 붕괴 될 수 있습니다.

충돌에서 방사 생산을위한 차동 단면은 들어오는 양전자와 다가오는 광자 사이의 각도가 어디에 있는지에 의해 주어지며 사건의 질량 에너지 중심을 나타냅니다. 위의 방정식을 적분함으로써,하나는 대략 3.1 및 10.5 의 총 단면을 얻습니다. 따라서 현재 사용 가능한 데이터 샘플에서 수십 개를 찾을 수 있습니다.

두 개의 신체 운동학으로 인해 어두운 광자가 실험실 프레임에서 요인에 의해 증폭됩니다. 따라서 작은 운동 혼합 및 충분히 낮은 어두운 광자 질량의 경우 실험실 프레임에서의 수명이 상당히 커집니다. 예를 들어,어두운 광자의 평균 붕괴 경로는 각각~1,3 및 10 센티미터입니다.

이러한 긴 붕괴 경로가 잠재적 인 신호를 질의 응답 배경에서 분리하기 위해 악용 될 수 있습니까? 분명히,보조 꼭지점은 표준 정점 기술을 사용하여 결정될 수 있지만 이벤트별로 이벤트가 될 수 없습니다. 한편,충돌 엔벨로프의 실제 위치 및 크기는 바바 산란 또는 뮤온 쌍 생산과 같은 공지된 공정을 사용하여 통계적으로 결정될 수 있다. 흥미롭게도,고려중인 모든 시설에서 광도를 최대화하는 데 사용되는 전략 중 하나는 상호 작용 지점에서 가로 빔 치수를 가능한 한 작게 유지하는 것입니다. 따라서 최대 가로 치수가 1 밀리미터 인 빔 스폿의 완벽한 가우시안 분포를 가정하면 충돌 스폿의 중심으로부터 1 센티미터 이상의 가로 거리에서 표준 큐에드 프로세스로부터 정점을 관찰 할 확률은 거의 0 입니다. 다른 한편으로,횡 방향 붕괴 경로 보다 큰 붕괴 이벤트의 수 1 센티미터,수천 만큼 클 수 있습니다.,,및 및 기계에 의해 통합 된 광도의 실제 값에 따라,.

그림 2 는 세 가지 다른 실험 조건에 대한 서로 다른 값에 대한 함수로서의 변화를 보여줍니다. 선택한 값은 위에서 언급한 건설 또는 연구 중인 시설의 목표 성과에 해당합니다. 곡선의 동작은 쉽게 설명됩니다. 어두운 광자의 평균 붕괴 경로에 대한보다 훨씬 크다 1 센티미터,따라서 증가,독립적으로. 그것은 결국 피크에 도달 하 고 0 으로 급속 하 게 떨어진다,만큼,증가와 함께,수명이 짧아진다. 피크의 위치는 생산 단면의 효과 사이의 적절한 균형에 의해 결정된다,이는 함께 증가,그리고 그것으로 감소 수명의. 그것은의 값에 또한 의존,그것으로 다시 사분선으로 감소 붕괴 경로. 낮은 생산 단면에도 불구하고,높은 부스트 요소와 결합 된 가장 큰 예상 통합 광도는 비 공장 옵션을 선호하는 것을 알 수있다(케이스(씨)). 그러나이 경우,특히 낮은 질량에 대한 분포의 피크는 운동 혼합 값에 대해 얻어집니다~. 이 경우에 주목 할 수있다(에이)~30 메가 볼트보다 큰 질량을 가진 관찰 어두운 광자의 수는 절망적으로 작아진다. 이것은 낮은 광도뿐만 아니라 감소 로렌츠 부스트 때문 만이 아니다,충돌의 질량 에너지의 낮은 중심의 결과.

지금까지 얻은 결과는 일반적인 이유로 매우 고무적인 보이지만,실제 실험으로 위의 검색 전략의 구현에서 오는 두 가지 제한 사항이 있습니다. 한편,매개 변수의 특정 값에 대해 수명이 너무 길어져 붕괴의 관련 부분이 현실적인 차원의 장치를 감지하지 못합니다. 예를 들어,평균 붕괴 경로는 약 1.5 미터입니다. 더 중요한 것은,매우 위험한 도구 적 배경이 작동,즉 이벤트에 의해 유도 된 검출기 물질에 대한 광자 변환이 발생한다는 것입니다. 이 실험은 종종 상호 작용 지점에서 매우 작은 반경을 가진 빔 파이프를 갖도록 설계 되었기 때문에 특히 관련이 있습니다. 검출기 요소의 변환 확률을 최소화하려고 시도 할 수 있지만,재료의 유형과 치수를 적절하게 선택함으로써 프로세스의 단면은 신호보다 훨씬 큽니다(사실,요인에 의해 더 큽니다).이 배경은 빠르게 타의 추종을 불허합니다.

이 문제에 대처하는 가장 간단한 방법은 광자가 물질과 상호 작용할 수없고 어두운 광자가 적어도 부분적으로 붕괴 될 수있는 상호 작용 지점 주위에 충분히 큰 빈 영역을 허용하는 것입니다. 그런 다음 빔 파이프 앞에서 발생하는 붕괴 정점이 있지만 공칭 빔 스폿 중심에서 여전히 멀리있는 이벤트 만 수락하는 것이 합리적입니다. 현재 데인에서 클로에-2 실험에 의해 사용되는 것과 같이 반경 5 센티미터의 빔 파이프를 가정하면,수용 내에서 얻어진 사건의 수는,,고려중인 세 가지 경우에 대해 그림 3 에 나와 있습니다.


(에이)

(비)

(기음)


(2)
(비)
(기음)

그림 3

그림 2 와 동일하며,가로 감쇠 경로가 5 센티미터보다 낮다는 추가 요청이 있습니다.

높은 값의 경우,이 수용 컷은 이전 분포에 유의하게 영향을 미치지 않습니다. 사실,이 경우 수명이 너무 짧아서 거의 모든 어두운 광자가 5 센티미터 전에 붕괴됩니다. 낮은 값의 경우,대신,수용 컷의 결과는 더 볼 수 있으며,특히 매우 낮은 질량에 대한 크기의 순서에 의해 허용 이벤트의 수를 줄일 수 있습니다. 그러나 이것은이 논문의 주요 메시지 중 하나이며,잠재적으로 관찰 가능한 이벤트의 수는 매개 변수 공간의 넓은 영역,특히 더 높은 에너지 기계 옵션에 대해 여전히 상당합니다. 특히,또한 몇 가지 추가 검출 비 효율성을 허용,그것은~200 메가 볼트까지 몇 배 및 질량에 이르기까지 운동 혼합이 프로빙 할 수 있음을 알 수있다.

신호 통계(즉, 가능한 검출기 해상도 효과 및 기타 가능한 도구 배경을 고려하지 않고),이는 고려중인 세 가지 경우에 대해 그림 4 에 표시된 탐험 가능한 영역으로 해석됩니다. 케이스(에이)이전 빔 덤프 실험에 의해 이미 제외 된 거의 전적으로 영역을 다루고 있지만,케이스(비)과(기음)잠재적으로 상대적으로 넓은 미개척 지역을 조사 할 수 있습니다(그림 1 참조). 다른 한편으로,이 동일한 영역이 앞서 언급 한 미래의 고정 대상 실험에 의해 커버 될 것으로 예상된다는 점을 강조해야합니다(다시 그림 1 참조).

그림 4

경우에 대한 탐색 가능한 영역(ㅏ)솔리드,(비)파선,및(기음)평면에 점선. 탐지기에 대한 잠재적 효율성 및 해상도 효과뿐만 아니라 악기 배경이 고려되지 않습니다. 2-뮤온 채널의 개방은 이 방법의 효과를 대폭 감소시킨다.

그것은 센티미터 규모의 붕괴 경로를 관찰하기위한 요구 사항이 이상적으로 우리의 신호에 가능한 모든 물리적 배경을 거부 한 번 더 강조 가치가있다. 그럼에도 불구하고,다른 도구 효과는 다음 섹션에서 논의 된 바와 같이,신중하게 고려 될 필요가있다.

4. 현재 및 미래 시설에서의 구현

지금까지 논의한 아이디어를 실제 실험 시설에 실질적으로 구현하는 것이 얼마나 어려운지를 이해하는 것이 중요합니다. 이를 위해서는 실제 기계 및 검출기의 설계 및 예상(또는 측정 된)성능에 대한 자세한 지식이 필요합니다. 이 수치를 기반으로 한 특정 연구 만이 방법이 적용 가능한지 여부,어느 정도 및 어느 기계에 적용되는지 여부를 결정할 수 있습니다. 우리의 단순화 된 모델과 현실 사이의 명백한 차이는 경우에 예를 들어 찾을 수 있습니다(기음);이전 및 미래 비 공장 모두 사실 비대칭 기계,전자빔은 양전자 하나와 관련하여 더 높은 에너지가되고. 이 다소 본 논문에서 논의 된 대칭 옵션에 대한 특정 수용 요구 사항을 변경할 수 있지만,그것은 유사한 결론이 여전히 그려 질 수 있다고 가정하는 것이 합리적이다.

일반적인 근거에서 고려해야 할 네 가지 매개 변수가 있습니다:1 차 생산 속도,빔 크기,빔 파이프의 크기 및 검출기의 정점 처리 기능.

첫 번째 점에 관해서는,높은 생산 단면에도 불구하고,공장 옵션(케이스())때문에 훨씬 낮은 통합 광도뿐만 아니라,때문에 낮은 로렌츠 부스트 인자에 의한 본질적인 제한 때문에,앞서 언급 한 바와 같이,다른 두보다 성능이 떨어진다. 더 높은 에너지에서 데인을 실행하기위한 제안은,이 점에서,이 비례 붕괴 경로를 증가 할 수 있기 때문에 특히 흥미 롭다.

앞서 언급한 바와 같이,고려 중인 모든 기계에 대해 보의 치수는 가로 방향으로 매우 작게 유지됩니다. 예를 들어,데인,빔~1.5 미리메터,~0.02 미리메터,훨씬 낮은 치수 다른 기계. 우리는 우리의 검색 전략을 기반으로하는 두 그림 2 와 3,가로 붕괴 경로를 참조,그래서 길이 방향의 빔 치수는 우리의 결론에 대한 무관합니다. 분명히 충돌 봉투의 비 가우스 꼬리는 배경 오염을 어느 정도 증가시킬 수 있습니다. 그러나 완전히 억제되지 않으면 가우스 부분과 같이 다른 알려진 프로세스를 사용하여 여전히 연구 할 수 있습니다.

실제 관심사는 실제 빔 파이프 치수입니다. 기존 시설 중,데인에서 클로-2 의 상호 작용 지점에서 빔 파이프 반경을 갖는 유일한 하나입니다 5 센티미터. 그러나 현재의 광도는 그 에너지에 대한 우리의 주장에 필요한 것보다 약 100 인자입니다. 비공장의 경우,빔파이프 반경은 바바 검출기의 경우 2.5 센티미터에서 미래의 슈퍼벨의 경우 1 센티미터까지 다양합니다.

수퍼벨의 내부 영역을 재검토하는 것은 가능성이 매우 낮지만,미래의 고광도 매력 공장의 경우,고려중인 어두운 광자 검색에 대한 감도를 극대화하기 위해 상호 작용 영역을 설계 할 수 있다고 생각할 수 있습니다. 빔 파이프 치수를 최소화하라는 요청이 기계보다 실험에서 첫 번째 순서로 제공된다는 것을 여기서 알 가치가 있습니다. 사실,그들은 어떻게 든 검출기의 정점 기능과 관련이 없습니다. 실제로,일반 검출기에 대한 감쇠 길이 측정의 해상도는 가장 내부 추적 장치의 단일 지점 해상도에 거의 비례하며 감쇠 점으로부터의 거리에 반비례합니다. 이 점에서 덜 유리한 상황은 첫 번째 추적 장치 인 삼중 보석 원통형 검출기가 내부 반경이 12 센티미터이고 단일 지점 해상도가~200 인 클로-2 의 상황입니다. 여전히 이벤트에 대한 추정 된 정점 해상도는 1-2 밀리미터입니다. 의 사용 실리콘 탐지기할 수 있는 단일 시점의 해결을 위해 10µm,확실히 향상과 관련하여 KLOE-2 경우입니다. 눈에 띄게,모든 LEP 실험을 했다 빔프 5.5cm,에 도달 할 수있는 전형적인 부패 길이의 해상도~250µm B 부패 이벤트,덕분에 사용된 실리콘 탐지기가 있다. 이것은 우리가 지금까지 관심을 가져 왔던 감쇠 길이를 고려할 때,정점 해결이 중요한 문제가 아니어야한다는 것을 의미합니다. 다른 한편으로,그것은 다음 섹션에서 설명 하는 고려 사항에 관련 된 역할을 재생할 수 있습니다.

5. 중간자 붕괴

전자-양전자 충돌기는 복사 벡터 중간자 붕괴를 통한 유용한 생산 메커니즘을 제공합니다. 실제로,관찰 된 각 붕괴에 대해(그리고 벡터와 사이비 중간자 인,레스 프.),전자와 관련하여 요인에 의해 억제 된 과정이있을 수 있습니다. 이 사실은 실제로 프로세스를 사용하여 어두운 광자를 검색 한 클로에-2 협력에 의해 악용되고있다. 채널에서의 검색에 관해서는,신호는 최종 상태 렙톤 쌍의 불변 질량 분포에서 피크를 찾음으로써 에스엠(달리츠 붕괴)배경에 의해 분리된다. 그러나 수명이 크게 되면 이러한 이벤트는 충돌 지점으로 명확하게 구분된 꼭지점이 존재하므로 이전 섹션에서 설명한 검색 전략을 사용할 수 있습니다.

생성 된 수는 다음과 같습니다.여기서 생성 된 벡터 중간자의 수는 해당 표준 복사 붕괴에 대한 분기 비율입니다.

먼저 위에서 언급 한 과정을 고려해 보겠습니다. 공장에서,~중간자는 기계에 의해 배달된 각 생성합니다. 이후,그것은 쉽게 생성 된 신호 이벤트의 수를 알 수있다,가정,에 대한 무시할 수있게. 반면에,더 높은 값의 경우,평균 붕괴 경로는 측정 할 수 없게(밀리미터 스케일 정점 해상도와 비교하여)짧지 만 매우 낮은 질량의 경우. 예를 들어,그것은 이미 0.8(0.2)센티미터입니다. 따라서 현재 고려 된 기계에서 예상되는 광도를 크게 초과하는 광도를 통합하지 않는 한,이 방법은이 붕괴 채널에 거의 적용 할 수 없습니다.

이제 전환에 관심을 돌리자. 이 과정은 이미 연구되어 왔지만,단명 한 어두운 광자의 경우 만 고려됩니다. 이전처럼,하나는 피크에서 실행/1 이 있습니다. 그 점을 고려할 때,하나는~150 개의 이벤트를 얻습니다. 반면에,이 운동 혼합 값에 대해 평균 붕괴 경로는 제한된 질량 값 범위에 대해서만 올바른 크기 순서입니다. 그것은,예를 들어,11.2,2.8,그리고 0.45cm=10,20,50MeV,각각합니다. 이 효과는 그림 5 에서 볼 수 있으며,상호 작용 지점에서 1~5 센티미터 사이의 거리에서 발생하는 붕괴 수는 서로 다른 값에 대해 함수로 표시됩니다. 다르게 케이스에서,여기,그것은 지배적이 될 짧은 되 고 수명의 효과,적어도 관심의 운동 혼합 값에 대 한,때문에 높은 어두운 광자 질량과 충분히 낮은,거의 모든 미만 대 한 생존 1 센티미터. 참고,또한,관찰 가능한 이벤트의 수에 몇 가지 추가 감소 기하학적 수용 고려 사항으로 인해 고려 되어야 합니다. 그럼에도 불구하고 수용 내에서 합리적인 수의 붕괴를 관찰하기를 희망 할 수있는 매개 변수 공간의 작은 영역이 남아 있습니다.

그림 5

보다 큰 붕괴 경로 프로세스에서 어두운 광자의 수 1 센티미터 이하 5 센티미터,의 함수로서 및 다양한 값에 대한. 1 의 통합 광도가 고려됩니다.

그러나 이벤트의 특정 추가 혜택이있다;이러한 프로세스는 실제로 이벤트에 의해 이벤트 기준으로 실제 어두운 광자 붕괴 경로를 측정하는 데 사용할 수 있습니다,최종 상태 중간자는 하전 된 입자의 적어도 한 쌍으로 붕괴 것을 제공. 이 경우,후자의 입자의 위치는 1 차 생산 정점을 결정하는 반면,붕괴 위치는 평소와 같이 하나에 의해 결정됩니다.

예를 들어,이벤트의 경우,쌍이 충돌 지점을 정확히 결정할 수있는 프로세스를 사용하여 유용한 이벤트의 총량을~0.43 배 줄이는 가격으로 사용할 수 있습니다. 우리는 밀리미터 규모의 붕괴 경로에 관심이 있기 때문에 광자 변환 배경은 더 이상 문제가되지 않아야합니다. 그러나,고려 지금 보관해야 할 물리적 배경이있다,즉,의 달리츠 붕괴,. 그 분기 비율은 대략~로 추정 될 수 있으므로 프로세스가~신호보다 더 빈번한 경우. 그러나,이 경우,및 정점은 검출기의 해상도 내에서 일치해야,. 따라서 요인에 의한 배경 감소는 측정 된 붕괴 경로보다 큰 이벤트 만 수락함으로써 달성 될 수 있습니다. 또한,배경 이벤트 붕괴 같은 채널에서 좁은 공명 하는 동안 광범위 한 불변 질량 분포를 가질 것으로 예상 된다. 폼 팩터 효과를 고려하지 않고,주변의 창에서 배경 이벤트의 수는 약

에 의해 주어진다(5)에 대한 의존도는 더 높은 질량의 어두운 광자의 관찰을 선호한다. 다른 한편으로,이후 붕괴 경로 확장,유한 정점 해상도의 효과 낮은 질량 입자의 관찰을 선호 합니다.

따라서 주어진 실험에서 두 매개 변수는 이상적으로 가능한 한 작게 유지되어야합니다. 예를 들어,,, (5)에 따르면,이 경우 흥미로운 질량 빈의 배경 이벤트 수는~에 대한 것입니다. 위에서 설명한 컷을 적용하면이 숫자는~20 으로 줄어 듭니다. 따라서 신호 중요도(즉,신호 이벤트의 수를 배경의 제곱근으로 나눈 값)는~입니다. 우리가 상대적으로 짧은 감퇴 길이를 다루고 있기 때문에,이 경우에 광속 관의 차원은 무관한 첫번째 순서에 다는 것을 강조하는 것이 중요합니다. 다른 한편으로,그것은 또한 주목 해야 한다,우리가 여기 가정 전체 탐지 효율 과잉 낙관적인 가정을 밝힐 수 있는. 연속체 사건에 관해서는,현실적인 검출기 매개 변수를 기반으로 한 상세한 연구 만이 최종적으로 방법의 잠재력을 평가할 수 있습니다.

6. 결론

새롭고 가볍고 중립적 인 보손 인”어두운 광자”에 대한 실험적 검색은 다른 탐지 기술을 사용하여 세계의 많은 실험실에서 추구되고 있습니다. 만약 이 광자가 충분히 가볍다면,그리고 만약 이 광자 입자와의 결합이 일반 광자의 입자와 관련하여 인자에 의해 억제된다면,그것은 비교적 긴 수명을 얻을 수 있다. 이 사실은 이벤트에서 1 차 생산 정점으로 잘 구분 된 붕괴 정점을 검색하여 충돌기에서 악용 될 수 있습니다. 이 논문은 차세대 충돌기가이 기술을 완전히 활용할 수있는 잠재력을 가지고 있으며 약 10-100 메가 볼트 범위의 몇 배 및 질량까지 효과적인 커플 링을 탐색 할 수 있음을 보여줍니다. 일반적으로,더 높은 에너지 기계 선호,생산 된(빛)보손의 높은 로렌츠 부스트 보조 꼭지점의 더 나은 분리를 허용 하기 때문에. 그러나 이 방법을 실제 시설에 구현하려면 상호 작용 영역의 적절한 설계와 추적 탐지기의 현명한 선택이 필요하다는 것도 알 수 있습니다. 불행히도 우리의 지식에 따르면,수퍼 벨의 빔 파이프 치수는 이러한 점에서 최적이 아닙니다. 한편,미래의 모든 고광도-매력 공장은 여전히 예비 설계 연구 단계에 있기 때문에,이 경우 제안 된 검색 기술에 대한 민감도를 극대화하도록 상호 작용 영역을 설계 할 수 있다고 생각할 수 있습니다. 이러한 기계는 또한 완전히 재구성 된 이벤트에서 변위 된 정점을 관찰하여 보완적인 검색 방법을 제공 할 수 있으므로 이러한 시설의 건설에 대한 관심을 높일 수 있습니다.

이해 상충

저자는 이 논문의 출판과 관련하여 이해 상충이 없다고 선언한다.

승인

저자는 안드레아스와 바부시에게 도움과 유용한 토론에 감사한다.

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