mörk foton sökningar med hjälp av förskjutna hörn vid låg energi Colliders

Abstrakt

förekomsten av en ny, fotonliknande, massiv partikel,eller mörk foton,postuleras i flera förlängningar av standardmodellen. Dessa modeller förespråkas ofta för attförklara några nyligen förbryllande astrofysiska observationer, liksom för att lösa den hittills oförklarliga avvikelsen mellan de uppmätta ochberäknade värdena för muonavvikelsen. Mörka fotoner kan produceras vid kollider både i kontinuumhändelser och i vektormesonövergångar och kan så småningom förfalla till ett elektron-positronpar. För ett korrekt val av teorins parametrar kan a ha en relativt lång livslängd och kan därförobserveras som ett vertex väl separerat av den primära interaktionspunkten. Detta fall diskuteras med hänvisning till mycket höga luminositetscollider antingen i konstruktion eller under studie i fleralaboratorier i världen. Det visas att en sökstrategi baseradpå detektering av förskjutna hörn kan i princip vara mycket effektivgenom att täcka en ganska bred och hittills outforskad region i teoretiskparametrar utrymme.

1. Introduktion

i Standardmodellen (SM) förmedlas interaktioner mellan elementära partiklar av vektorbosonerna hos de starka, svaga och elektromagnetiska krafterna. Experimentella bevis för förekomsten av dessa bosoner är övertygande och exakta mätningar av deras egenskaper har ackumulerats under de senaste decennierna. Nya krafter kan ha undgått upptäckt hittills, antingen om deras associerade bosoner är mycket tunga eller om deras kopplingar till vanlig materia är svaga nog. Det senare fallet har bland annat förespråkats i modeller som försöker förklara och förena bland dem flera förbryllande astrofysiska observationer som utförts de senaste åren . De används ibland också för att förena det uppmätta värdet av muon-anomali med sm-förutsägelsen, som skiljer sig med ungefär 3,5 (se t.ex.).

om nya, ljusa, neutrala bosoner (som från och med nu kommer att kallas eller mörka fotoner) existerar och om de är mätbart, om än svagt, kopplade till SM-partiklar, kan de produceras och observeras vid kolliderande strålar och fasta målförsök . Faktum är att det har gjorts flera försök att observera bevis för sådana partiklar, med hjälp av data från löpande anläggningar eller data mining gamla experiment . Eftersom inga bevis för deras existens hittades har gränser fastställts som en funktion av massan och dess koppling till vanlig materia.

inom en snar framtid förväntas nya experiment under uppbyggnad utvidga dessa gränser i ett område med kopplingar och/eller massor hittills outforskade. Alla är utformade för att utnyttja strålningsproduktionen av med en mycket intensiv elektron – eller positronstråle på ett korrekt byggt högt mål . Syftet med detta brev är att visa att jämförbara resultat kan erhållas genom hög ljusstyrka och lågenergielektronpositronkolliderare, såsom de som är under uppbyggnad eller under studie i flera laboratorier i världen . Dessa anläggningar kommer att dra nytta av två huvudkonstruktionsegenskaper som koherent konspirerar för att förbättra deras upptäcktspotential: deras mycket höga målljusstyrka och användningen av mycket kompakta balkar (dessa två funktioner är faktiskt starkt korrelerade). Faktum är att hög ljusstyrka översätter till möjligheten att sondera lägre produktionstvärsnitt, det vill säga lägre effektiva kopplingar mellan och vanlig materia. Å andra sidan översätter låga kopplingar till längre sönderfallsbanor, särskilt för låga massor. Således tillåter användningen av strålar med mycket små dimensioner att man erhåller en tydlig signal genom att observera sekundära hörn av en väldefinierad invariant massa, väl separerad av strålarnas interaktionspunkt.

i papperet kommer detta fall att diskuteras för tre olika möjliga val av maskinens centrum för massenergi, motsvarande respektive massan av (1020), (1s) och (4S) mesonerna. Detta val motiveras av de ovan nämnda projekten. Det kommer att visas att maskiner med högre energi gynnas, inte bara för att de förväntas leverera större datamängder, utan också för att de där producerade har längre sönderfallsbanor, allt annat lika. Instrumentella effekter spelar dock en relevant roll i själva detekteringsstrategin och kan i vissa fall dramatiskt minska metodens upptäcktspotential. Fortfarande, i synnerhet för fallet med en fabrik med hög ljusstyrka, är den fortfarande tillräckligt hög för att vara konkurrenskraftig mot de ovan nämnda fasta målexperimenten.

papperet är organiserat enligt följande. För det första diskuteras den teoretiska ramen för papperet tillsammans med en kort presentation av de experimentella gränserna för förekomsten av mörka fotoner som hittills erhållits. Fallet för sökningar vid låg energi, hög ljusstyrka kolliderare diskuteras i Avsnitt 3, följt av några överväganden om det faktiska genomförandet av den föreslagna metoden till befintliga eller planerade anläggningar. Radiativ vektor meson sönderfall diskuteras i Avsnitt 5. Slutsatser ges i avsnitt 6.

2. Fysikfall

i många nya fysikscenarier förlängs SM genom att helt enkelt lägga till en ytterligare symmetri, under vilken SM-partiklar är oladdade vid första ordningen . Mätaren boson associerad med den nya symmetri, den , kan fortfarande interagera med vanlig materia via kinetisk blandning beskrivs av en effektiv interaktion Lagrangian. Övervägvar betecknar fältet. Den kinetiska blandningsfaktorn parametriserar kopplingsstyrkan i förhållande till den elektriska laddningen och förutses i olika modeller att vara i intervallet . Massan av den mörka fotonen vilar oförutsägbar. På fenomenologiska grunder, i alla fall, massor i MeV–GeV-området, som är av intresse för det nuvarande arbetet, gynnas.

det kan finnas icke-SM-materialpartiklar som är känsliga för den nya interaktionen. Ofta postuleras de för att vara huvudbeståndsdelen i den ännu oupptäckta mörka materiekomponenten i universum (DM) och måste därför vara elektriskt neutral och stabil. Om kinematiskt tillåtet, kommer att sönderfalla företrädesvis i par av dessa partiklar; sålunda blir dess sönderfall ” osynligt.”Fallet för att upptäcka osynliga sönderfall diskuteras till exempel i . Å andra sidan, om den mörka fotonen är lättare än DM, tvingas den att sönderfalla i ett par SM-partiklar, med en bredd reglerad av (1). I detta fall ges dess korrekta tid ungefär av var är antalet SM-sönderfallskanaler tillåtna av kinematik.

det har gjorts flera försök att experimentellt observera en signal med många olika tekniker. Figur 1 , hämtad från referens , visar uteslutningsplanen i planet, som härrör från ovan nämnda sökningar. Elektronstråledumpexperimentet täcker regionen med låga massor och mycket låga kopplingar, ner till ~. För högre massor och lägre kopplingar, gränser kommer främst från meson sönderfall och elektron-nukleon spridning experiment och B-fabriker data. Viktig information, som inte visas i Figur 1, kan också härledas genom astrofysiska observationer (se till exempel och referenser däri). För 10-20 MeV förblir regionen med i stort sett outforskad.

Figur 1

utesluten region i planet som härrör från för närvarande tillgängliga data. Elektronstråledumpexperimentet täcker regionen med låga massor och mycket låga kopplingar, ner till ~. För högre massor och lägre kopplingar gränser kommer främst från meson sönderfall och elektron-nukleon spridning experiment och B-fabriker data (tomt artighet av S. Andreas). Tomten rapporterar också prognoserna för de experiment som för närvarande är under uppbyggnad. För detaljer om enstaka experiment se .

det finns för närvarande olika experiment antingen igång eller under uppbyggnad som syftar till att undersöka en del av denna region. Alla är utformade för att utnyttja strålningsproduktionen av med en mycket intensiv elektron – eller positronstråle på ett korrekt byggt högt mål. I synnerhet är HPs-experimentet vid Thomas Jefferson Laboratory (USA) utformat för att täcka regionen , MeV (se Figur 1).

i det följande kommer fallet för sökandet efter mörka fotoner i samma parametrar rymdregion vid en mycket hög luminosity collider att diskuteras.

3. Sökningar på Colliders

under de senaste decennierna har stora mängder data samlats in vid smakfabriker med hög ljusstyrka som arbetar i olika massenergicentrum. Dessa data sträcker sig från ~2 fb−1 som levereras vid (1020) toppen av den italienska collider dansken till 0,5–1 ab−1 som produceras av B-fabrikerna vid PEP-II (USA) och KEK-B (Japan). Inom en snar framtid förväntas en konsekvent ökning av ovanstående statistik både hos DANE och hos KEK-B som syftar till att öka deras dataprov med faktorer på 10 respektive 50. Ett alternativ att öka centrum för massenergi för DANE upp till 2,5 GeV har beaktats . Slutligen övervägs studier för konstruktion av en kolliderare som kan leverera ~1 ab−1 runt charmtröskeln i Italien, Ryssland och Kina (Se till exempel ).

från och med idag har sökningar efter mörka fotoner på kolliderare främst bedrivits genom att studera processen med efterföljande sönderfall av i ett par. Detta begränsar sökningen till, som till följd av (2), resulterar i att dess livstid är oerhört kort. Därför kan signalen separeras av den mer rikliga och annars oskiljbara QED-bakgrunden, endast genom att observera en skarp topp i den invarianta massfördelningen av det slutliga tillståndsleptonparet.

frågan uppstår om det skulle vara möjligt att utvidga sökningen även till regionen med och i synnerhet med . Huvudbudskapet i detta dokument är att den planerade ökningen av det potentiellt tillgängliga dataprovet gör att man kan ge ett positivt svar på ovanstående fråga, inte bara på grund av den ökade statistiska känsligheten utan också för att den öppnar dörrarna för möjligheten att observera en tydlig signal för en långlivad , som endast är marginell med de för närvarande tillgängliga uppgifterna.

här och i det som följer, för enkelhetens skull, beaktas endast fallet med symmetriska maskiner. Eftersom vi är intresserade av fallet med, kan den mörka fotonen bara förfallna i ett par.

differentialtvärsnittet för strålningsproduktion i kollisioner ges av var är vinkeln mellan den inkommande positronen och den kommande fotonen och betecknar händelsens centrum för massenergi. Genom att integrera ovanstående ekvation mellan erhåller man ett totalt tvärsnitt av ungefär aubbib, ubbib och nb för , 3.1 respektive 10.5 GeV. Således, i de för närvarande tillgängliga dataproverna, för några dussintals kan hittas.

på grund av de två kroppskinematiken förstärks den mörka fotonen i laboratorieramen med en faktor . Därför, för små kinetiska blandningar och för tillräckligt låga mörka fotonmassor, blir dess livstid i laboratorieramen stor. Till exempel för och MeV är den genomsnittliga sönderfallsbanan för en mörk foton ~1, 3 och 10 cm för, 3,1 respektive 10,5 GeV.

kan dessa långa sönderfallsvägar utnyttjas för att separera en potentiell signal från QED-bakgrunden? Klart, även om den sekundära vertex kan bestämmas med standard vertexing tekniker, kan inte vara, på en händelse för Händelse basis. Å andra sidan kan den faktiska positionen och storleken på kollisionskuvertet bestämmas på statistisk basis med hjälp av kända processer, såsom Bhabha-spridning eller muonparproduktion. Intressant är att vid alla de aktuella anläggningarna är en av de strategier som används för att maximera ljusstyrkan att hålla tvärbalkdimensionerna vid interaktionspunkten så små som möjligt, vanligtvis 1 mm i storlek. Om man antar en perfekt Gaussisk fördelning av Strålpunkten, med en maximal tvärgående dimension av 1 mm, är sannolikheten för att observera ett toppunkt från standard QED-processer på ett tvärgående avstånd av 1 cm eller mer från kollisionsplatsens centrum praktiskt taget noll. Å andra sidan, antalet sönderfallshändelser med tvärgående sönderfallsbana större än 1 cm, kan vara så stor som flera tusen, beroende på det faktiska värdet av , , och och av ljusstyrkan integreras av maskinen, .

Figur 2 visar variationen av som en funktion av , för olika värden på och för tre olika experimentella förhållanden: (a) GeV, fb−1; (b) GeV, ; (c) GeV, ab−1. De valda värdena för motsvarar målprestanda för de anläggningar som är under uppbyggnad eller under studie som nämns ovan. Kurvornas beteende förklaras lätt. För den genomsnittliga förfallsbanan för en mörk foton är mycket större än 1 cm och ökar därför med, oberoende av . Den når så småningom en topp och sjunker snabbt mot noll, så länge som livslängden blir kortare och kortare med ökande. Toppens position bestäms av den korrekta balansen mellan effekten av produktionstvärsnittet, som ökar med och den livslängd som minskar med den. Det beror också på värdet av , sönderfallsbanan minskar igen kvadratiskt med det. Trots det lägre produktionstvärsnittet kan man konstatera att den största förväntade integrerade ljusstyrkan i kombination med de högre boostfaktorerna gynnar alternativet B-factory (case c)). I detta fall erhålls emellertid toppen av fördelningen, speciellt för lägre massor, för värden för den kinetiska blandningen ~. Det kan också noteras att i fall (a) blir antalet observerbara mörka fotoner med massor större än ~30 MeV hopplöst liten. Detta beror inte bara på den lägre ljusstyrkan utan också på den reducerade Lorentz-boosten, följd av kollisionens nedre centrum för massenergi.

även om de resultat som hittills erhållits ser väldigt uppmuntrande ut av allmänna skäl, finns det två huvudbegränsningar som kommer från genomförandet av ovanstående sökstrategi till ett verkligt experiment. Å ena sidan, för specifika värden av parametrarna blir livslängden så lång att en relevant del av sönderfallet skulle undvika detektering av en apparat med realistiska dimensioner. Till exempel för GeV, och MeV är den genomsnittliga sönderfallsbanan cirka 1,5 m. Ännu viktigare är att en mycket farlig instrumental bakgrund kommer i drift, nämligen fotonkonverteringar på detektormaterialet inducerat av händelser. Detta är särskilt relevant eftersom experiment ofta är utformade för att ha strålrör med mycket små radier vid interaktionspunkten. Även om man kan försöka minimera omvandlingssannolikheten på detektorelementen, genom att korrekt välja typ och dimensioner av materialen, är processens tvärsnitt så mycket större än signalen (i själva verket är den större med en faktor ) att denna bakgrund snabbt blir oslagbar.

det enklaste sättet att hantera detta problem är att möjliggöra en tillräckligt stor tom region runt interaktionspunkten, där fotoner inte kan interagera med Materia och mörka fotoner kan åtminstone delvis genomgå deras förfall. Det skulle då vara rimligt att acceptera endast händelser med sönderfallshöjder som inträffar före strålröret men fortfarande långt (1 cm) från det nominella strålpunktcentret. Förutsatt en Balk rör av 5 cm radie, såsom den som för närvarande används av KLOE-2 experiment på DANE, antalet händelser sålunda erhållna inom acceptans,, visas i Figur 3 för de tre fall som behandlas.


(a)

(b)

(c)


(a)
(b)
(c)

Figur 3

samma som Figur 2, med den ytterligare begäran om att den tvärgående sönderfallsbanan är lägre än 5 cm.

för höga värden på påverkar denna acceptansskärning inte observerbart de tidigare fördelningarna. I själva verket är livslängden så kort att nästan alla mörka fotoner förfaller mycket före 5 cm. För lägre värden på istället är konsekvensen av nedskärningen i acceptans mer synlig och kan minska antalet accepterade händelser med en storleksordning, särskilt för mycket låga massor. Men, Och detta är en av de viktigaste meddelandena i detta dokument, antalet potentiellt observerbara händelser är fortfarande betydande för ett brett område av parameterutrymmet, särskilt för högre energi maskinalternativ. I synnerhet, som också möjliggör ytterligare detektionseffektivitet, kan man se att kinetiska blandningar ner till några gånger och massor upp till ~200 MeV kan probed.

endast baserat på signalstatistik (dvs., utan att ta hänsyn till möjliga detektorupplösningseffekter och andra möjliga instrumentella bakgrunder), översätts detta till de utforskbara regionerna som visas i Figur 4, för de tre fall som behandlas. Medan fall (A) täcker nästan helt en region som redan uteslutits av tidigare stråldumpningsexperiment, kan Fall (b) och (c) potentiellt undersöka en relativt bred outforskad region (se Figur 1). Å andra sidan måste det också understrykas att samma region förväntas omfattas av ovannämnda framtida fasta målförsök (se igen Figur 1).

Figur 4

Explorable region för fall (A) fast, (b) streckad, och (c) prickade i planet . Inga instrumentella bakgrunder beaktas, liksom potentiella effektivitets-och upplösningseffekter för detektorn. Ovanför ~210 MeV minskar öppningen av 2-muonkanalen drastiskt metodens effektivitet.

det är värt att betona ännu en gång att kravet på att observera en cm-skala sönderfallsbana idealiskt avvisar varje möjlig fysisk bakgrund till vår signal. Ändå måste andra instrumentella effekter beaktas noggrant, vilket diskuteras i följande avsnitt.

4. Genomförande vid nuvarande och framtida anläggningar

det är intressant att förstå hur svårt det skulle vara att praktiskt genomföra på verkliga experimentella anläggningar de tankar som diskuterats hittills. Detta kräver en detaljerad kunskap om själva maskinen och detektorns design och förväntade (eller uppmätta) prestanda. Endast specifika studier baserade på dessa siffror kan i slutändan avgöra om metoden är tillämplig eller inte, i vilken utsträckning och på vilken maskin. En uppenbar skillnad mellan våra förenklade modeller och verklighet kan hittas till exempel i fall (c); både de gamla och de framtida B-fabrikerna är i själva verket asymmetriska maskiner, där elektronstrålen är av högre energi i förhållande till positronen. Även om detta kan förändra de specifika acceptanskraven något med avseende på det symmetriska alternativ som diskuteras i detta dokument, är det dock rimligt att anta att liknande slutsatser fortfarande kan dras.

av allmänna skäl finns det fyra parametrar som måste beaktas: primärproduktionshastigheten, balkarnas dimensioner, strålrörets och detektorns vertexingfunktioner.

när det gäller den första punkten, trots det högre produktionstvärsnittet, är fabriksalternativet (case (a)) mindre utförande än de andra två, inte bara på grund av den mycket lägre integrerade ljusstyrkan, utan också, som nämnts tidigare, på grund av den inneboende begränsningen på grund av de lägre Lorentz-boostfaktorerna. Förslaget att köra danskan vid högre energier är, i detta avseende, särskilt intressant eftersom detta skulle göra det möjligt att öka förfallsbanorna proportionellt till .

som tidigare påpekats hålls balkarnas dimensioner för alla de aktuella maskinerna mycket små i tvärriktningen. Till exempel på DANE har balkarna ~1,5 mm, ~0,02 mm och mycket lägre dimensioner på de andra maskinerna. Observera att både figurerna 2 och 3, som vi baserar vår sökstrategi på, hänvisar till tvärgående sönderfallsbanor, så stråldimensionerna i längdriktningen är irrelevanta för våra slutsatser. Självklart kan icke-gaussiska svansar av kollisionskuvertet till viss del öka bakgrundskontamineringen. Men om de inte är helt undertryckta kan de fortfarande studeras med andra kända processer, som För Den gaussiska delen.

en verklig oro är de faktiska strålrörsdimensionerna. Bland de befintliga anläggningarna är KLOE – 2 på DANE den enda som har en strålrörradie vid interaktionspunkten på 5 cm. När det gäller maskinerna som körs vid charmtröskeln har den enda som för närvarande är i drift, den kinesiska kollideraren BEPC, ett strålrör vid interaktionspunkten på 3,5 cm i radie; emellertid är dess nuvarande ljusstyrka ungefär en faktor 100 lägre än vad som krävs av våra argument vid den energin. För B-fabrikerna sträcker sig strålrörets radier från 2,5 cm för BaBar-detektorn till 1 cm för den framtida Superbellen.

medan en omprövning av den inre regionen av SuperBelle är förmodligen mycket osannolikt, i fallet med en framtida hög ljusstyrka-charm fabrik, är det tänkbart att interaktionsregionen kan utformas så att maximera känsligheten för den mörka foton sökning under övervägande. Det är värt att notera här att begäran om att minimera strålrörets dimensioner kommer till första ordningen från experimentet mer än från maskinen. Faktum är att de på något sätt är antikorrelerade med detektorns vertexingfunktioner. I själva verket är upplösningen av en sönderfallslängdsmätning för en generisk detektor ungefär proportionell mot den enda punktupplösningen för den mest interna spårningsanordningen och omvänt proportionell mot dess avstånd från sönderfallspunkten. Under detta avseende är den mindre gynnsamma situationen den för KLOE-2, vars första spårningsanordning, en trippel-GEM cylindrisk detektor, har en inre radie på 12 cm och enpunktsupplösning på ~200 occurm. Ändå är dess uppskattade vertexupplösning för händelser 1-2 mm. Användningen av kiseldetektorer, som kan ha enpunktsupplösning av order 10 occurm, skulle definitivt förbättras med avseende på KLOE-2-fallet. Märkbart kunde alla LEP-experimenten, som hade strålrör på 5,5 cm, nå en typisk sönderfallslängdsupplösning på ~250 kg för B-sönderfallshändelser, tack vare användningen av kiseldetektorer . Detta innebär att, med tanke på CM skala förfallslängd vi har varit intresserade av hittills, vertexing upplösning bör inte vara en viktig fråga. Å andra sidan kan det spela en relevant roll i de överväganden som diskuteras i följande avsnitt.

5. Meson Decays

elektron-positron colliders ger en användbar produktionsmekanism via radiativ vektor meson decays också. Faktiskt, för varje observerat förfall ( och att vara en vektor och en pseudoskalär meson, resp.), kan det finnas en process, undertryckt av en faktor med avseende på den tidigare . Detta faktum har faktiskt utnyttjats av KLOE-2 samarbete som har sökt efter den mörka foton med hjälp av processen i . När det gäller sökningarna i kanalen separeras signalen av SM (Dalitz decay) bakgrunden genom att leta efter en topp i den invarianta massfördelningen av det slutliga tillståndsleptonparet. Men när livslängden blir betydande kännetecknas dessa händelser också av närvaron av hörn som är tydligt åtskilda av kollisionspunkten, vilket möjliggör användningen av sökstrategin som beskrivs i föregående avsnitt.

antalet producerade ges avvar är antalet producerade vektormesoner och är förgreningsförhållandet för motsvarande standardutstrålningsförfall.

Låt oss först överväga ovan nämnda process. På a-factory produceras ~ mesoner varje levererad av maskinen. Eftersom, det är lätt att se att antalet producerade signalhändelser, förutsatt, blir försumbar för . Å andra sidan, för högre värden på , blir den genomsnittliga sönderfallsbanan otvetydigt (jämfört med millimeterskalans vertexupplösningar) kort, men för mycket låga massor. Till exempel, för det är redan 0,8(0,2) cm, för MeV. Om man därför inte integrerar luminositeter som i stor utsträckning överstiger de som förväntas från den för närvarande betraktade maskinen, är metoden knappast tillämplig på denna sönderfallskanal.

Låt oss nu rikta vår uppmärksamhet mot övergången. Denna process har redan studerats i, där, dock, fallet för kortlivade mörka fotoner endast beaktas. Som tidigare har man / fb-1, som körs på toppen. Med tanke på att man får ~150 händelser för och ab−1. Å andra sidan, för detta värde av kinetisk blandning, är den genomsnittliga sönderfallsbanan av rätt storleksordning endast för ett begränsat intervall av massvärden. Det är till exempel 11,2, 2,8 och 0,45 cm för = 10, 20 respektive 50 MeV. Effekten av detta ses i Figur 5 där antalet sönderfall som inträffar på ett avstånd mellan 1 och 5 cm från interaktionspunkten ritas som en funktion av , för olika värden på . Annorlunda än fallet är det här effekten av att livslängden är kort för att vara dominerande, åtminstone för de kinetiska blandningsvärdena av intresse, för för högre mörka fotonmassor och tillräckligt låga , överlever nästan alla i mindre än 1 cm. Observera också att en viss ytterligare minskning av antalet observerbara händelser måste beaktas på grund av geometriska acceptanshänsyn. Fortfarande finns det fortfarande en liten region i parameterutrymmet för vilket man kan hoppas att observera ett rimligt antal sönderfall inom acceptans.

Figur 5

antal mörka fotoner från processen med sönderfallsvägar större än 1 cm och lägre än 5 cm, som en funktion av och för olika värden på . En integrerad ljusstyrka på 1 ab−1 beaktas.

det finns emellertid en ytterligare fördel som är specifik för händelser; dessa processer kan faktiskt också användas för att mäta på en händelse-för-Händelse-basis den faktiska mörka fotonförfallsbanan, förutsatt att det slutliga tillståndet Meson sönderfaller i åtminstone ett par laddade partiklar. I detta fall bestämmer positionen för de senare partiklarna primärproduktionens toppunkt, medan sönderfallspositionen bestäms som vanligt av den.

till exempel för händelser kan man använda processen, där paret tillåter att bestämma exakt kollisionspunkten, till priset av att minska den totala mängden användbara händelser med en faktor ~0.43 . Eftersom vi är intresserade av sönderfallsbanor i millimeterskala, bör fotonkonverteringsbakgrunden inte vara ett problem längre. I alla fall, det finns en fysisk bakgrund som nu ska beaktas, nämligen, Dalitz-förfallet av , . Dess förgreningsförhållande kan uppskattas vara ungefär ~, så att processen är ~ gånger mer frekvent än signalen, om . Men i detta fall, den och hörn måste sammanfalla inom detektorns upplösning, . Därför kan en minskning av bakgrunden med en faktor uppnås genom att endast Acceptera händelser med uppmätta sönderfallsvägar större än . Dessutom förväntas bakgrundshändelser ha en bred invariant massfördelning, medan sönderfall är en smal resonans i en sådan kanal. Inte överväger formfaktoreffekter, antalet bakgrundshändelser,, i ett fönster på runt ges ungefär av

Observera att beroendet av (5) gynnar observation av högre massa mörka fotoner. Å andra sidan, eftersom sönderfallsbanan skalar som , effekten av en ändlig vertexupplösning gynnar observationen av partiklar med lägre massa.

i ett givet experiment, därför två parametrar bör helst hållas så liten som möjligt, och . Ta, till exempel,, MeV. Enligt (5) skulle antalet bakgrundshändelser i det intressanta massfacket i detta fall vara ~ för MeV. Genom att tillämpa det snitt som diskuterats ovan minskar detta antal till ~20. Därför, för mm, skulle signalbetydelsen (dvs antalet signalhändelser dividerat med kvadratroten i bakgrunden) vara ~. Det är viktigt att understryka att i detta fall dimensionerna hos strålröret är att första ordningen irrelevant, eftersom vi har att göra med relativt korta sönderfallslängder. Å andra sidan måste det också noteras att vi här antar full detektionseffektivitet som kan avslöja ett överoptimistiskt antagande. När det gäller kontinuumhändelserna kan endast detaljerade studier baserade på realistiska detektorparametrar äntligen bedöma metodens potentialer.

6. Slutsatser

experimentella sökningar efter en ny, ljus, neutral boson, den ”mörka fotonen” eller , bedrivs i många laboratorier i världen med olika detekteringstekniker. Om det är tillräckligt lätt och om dess kopplingar med sm-partiklar undertrycks av en faktor Kazaki med avseende på den vanliga fotonens, kan den få en relativt lång livslängd. Detta faktum kan utnyttjas vid kolliderare genom att söka ett förfall vertex väl åtskilda av den primära produktionen en, i händelser. Papperet visar att nya generationens kolliderare har potential att fullt ut utnyttja denna teknik och kan utforska effektiva kopplingar ner till några gånger och massor i intervallet 10-100 MeV ungefär. I allmänhet gynnas maskiner med högre energi, eftersom den högre Lorentz-boosten hos de producerade (lätta) bosonerna möjliggör en bättre separation av sekundära hörn. Det ses emellertid också att implementeringen av denna metod till verkliga anläggningar kräver en korrekt utformning av interaktionsregionen och ett klokt val av spårningsdetektorn. Så vitt vi vet är tyvärr strålrörets dimensioner av SuperBelle långt ifrån optimala under detta avseende. Å andra sidan, eftersom alla framtida fabriker med hög ljusstyrka fortfarande befinner sig i en preliminär designstudiefas, är det tänkbart att interaktionsregionen i detta fall kan utformas för att maximera känsligheten för den föreslagna söktekniken. En sådan maskin kan också tillhandahålla en kompletterande sökmetod genom observation av förskjutna hörn i helt rekonstruerade händelser, vilket ökar intresset för byggandet av en sådan anläggning.

intressekonflikt

författaren förklarar att det inte finns någon intressekonflikt när det gäller publiceringen av detta dokument.

Acnowledgments

författaren vill tacka S. Andreas och D. Babusci för hjälp och användbara diskussioner.

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte publiceras.