Mørk Foton Søker Ved Hjelp Av Fordrevne Hjørner Ved Lav Energi Colliders

Abstract

eksistensen av en ny, foton-lignende, massiv partikkel,eller mørk foton,er postulert i Flere utvidelser Av Standardmodellen. Disse modelleneforklar ofte noen nylige forvirrende astrofysiske observasjoner, så vel somå løse den hittil uforklarlige avviket mellom de målte ogberegnede verdiene av myonanomali. Mørke fotoner kan produseres ved kollidere både i kontinuumhendelser og i vektormesonoverganger og kan til slutt forfalle til et elektron-positronpar. For et riktig valg av parametrene i teorien,kan a ha en relativt lang levetid og kan derfor observeres som et toppunkt godt adskilt av det primære interaksjonspunktet. Denne saken er omtalt i referanse til svært høy lysstyrke kollidere enten i konstruksjon eller under studie i flerelaboratorier i verden. Det er vist at en søkestrategi basertpå deteksjon av fordrevne hjørner kan i prinsippet være svært effektivi dekker en ganske bred og hittil uutforsket region av teoretiskparametere plass.

1. Introduksjon

I Standardmodellen (Sm) formidles vekselvirkninger mellom elementærpartikler av vektorbosonene til de sterke, svake og elektromagnetiske kreftene. Eksperimentelle bevis for eksistensen av disse bosonene er overbevisende og nøyaktige målinger av deres egenskaper har blitt akkumulert de siste tiårene. Nye krefter kan ha unnsluppet deteksjon så langt, enten hvis deres tilknyttede bosoner er svært tunge eller hvis deres koblinger til vanlig materie er svake nok. Sistnevnte tilfelle har vært forfektet, blant annet i modeller som prøver å forklare og forene blant dem flere underlige astrofysiske observasjoner utført de siste årene . De er noen ganger også brukt til å forene den målte verdien av myon anomali TIL sm prediksjon, som varierer med ca 3,5 (se, f.eks,).

hvis nye, lyse, nøytrale bosoner (som fra nå av vil bli kalt eller mørke fotoner) eksisterer, og hvis de er målbare, om enn svake, kombinert med sm-partikler, kan de produseres og observeres ved kolliderende bjelker og faste måleksperimenter . Faktisk har det vært flere forsøk på å observere bevis for slike partikler, ved hjelp av data fra løpende anlegg eller data mining gamle eksperimenter . Siden ingen bevis for deres eksistens ble funnet, har grenser blitt satt som en funksjon av massen og dens kobling til vanlig materie.

i nær fremtid forventes nye eksperimenter under bygging å utvide disse grensene i en region med koblinger og/eller masser så langt uutforsket. Alle er designet for å utnytte strålingsproduksjonen av ved en veldig intens elektron-eller positronstråle på et riktig bygget høyt mål . Formålet med dette brevet er å vise at sammenlignbare resultater kan oppnås ved høy lysstyrke og lav energi elektron-positron colliders, for eksempel de som er under bygging eller under studier i flere laboratorier i verden . Disse anleggene vil dra nytte av to hovedkonstruksjonsfunksjoner som sammenhengende konspirerer for å forbedre deres oppdagelsespotensial: deres meget høye målluminositet og bruken av svært kompakte bjelker (disse to funksjonene er faktisk sterkt korrelert). Faktisk oversetter høy lysstyrke til muligheten for å undersøke lavere produksjons tverrsnitt, det vil si lavere effektive koblinger mellom og vanlig materiale. På den annen side oversetter lave koblinger til lengre forfallsbaner, spesielt for lave masser. Bruken av bjelker av svært små dimensjoner tillater dermed å oppnå et klart signal ved å observere sekundære hjørner av en veldefinert invariant masse, godt adskilt av bjelkens interaksjonspunkt.

i papiret vil denne saken bli diskutert for tre forskjellige mulige valg av maskinens senter for masseenergi, tilsvarende henholdsvis til massen av (1020), (1S) og (4S) mesonene. Dette valget er motivert av prosjektene nevnt ovenfor. Det vil bli vist at høyere energimaskiner er favorisert, ikke bare fordi de forventes å levere større datasett, men også fordi de produserte deri har lengre forfallsbaner, ceteris paribus. Instrumentelle effekter spiller imidlertid en relevant rolle i den faktiske deteksjonsstrategien og kan i noen tilfeller dramatisk redusere oppdagelsespotensialet til metoden. Likevel, spesielt for tilfelle av en høy lysstyrke-sjarm fabrikk, det er fortsatt høy nok til å være konkurransedyktig til de faste mål eksperimenter nevnt ovenfor.

papiret er organisert som følger. For det første diskuteres det teoretiske rammeverket for papiret, sammen med en kort presentasjon av de eksperimentelle grensene for eksistensen av mørke fotoner som er oppnådd så langt. Saken for søk ved lav energi, høy lysstyrke colliders er omtalt i Avsnitt 3, etterfulgt av noen betraktninger om den faktiske gjennomføringen av den foreslåtte metoden til eksisterende, eller planlagte, anlegg. Radiative vektor meson henfall er omtalt i Avsnitt 5. Konklusjoner er gitt i Avsnitt 6.

2. Fysikk Case

i mange nye fysikk scenarier, er SM utvidet ved å legge til en ekstra symmetri, der SM partikler er uladet ved første rekkefølge . Gauge boson knyttet til den nye symmetri, den , kan fortsatt samhandle med vanlig materie via kinetisk blanding beskrevet av en effektiv interaksjon Lagrangian. Vurderhvor angir feltet. Den kinetiske blandefaktoren parametrierer koblingsstyrken i forhold til den elektriske ladningen og forutsettes i ulike modeller å være i området . Massen av den mørke fotonen hviler uforutsigbart. På fenomenologiske grunnlag, derimot, massene I MeV–GeV serien, som er av interesse for dagens arbeid, er favorisert.

det kan finnes ikke-SM materiepartikler som er følsomme for den nye interaksjonen. Ofte er de postulert å være hovedbestanddelen av den ennå uoppdagede mørke materiekomponenten i universet (DM) og må derfor være elektrisk nøytral og stabil. Hvis kinematisk tillatt, vil det henfalle fortrinnsvis i par av disse partiklene; dermed dets forfall blir » usynlig.»Saken for å oppdage usynlige henfall er diskutert, for eksempel i . På den annen side, hvis den mørke fotonen er lettere ENN DM, blir den tvunget til å forfalle til ET par sm-partikler, med en bredde regulert av (1). I dette tilfellet er den riktige tiden omtrent gitt av hvor er antall sm-forfallskanaler tillatt av kinematikk.

det har vært flere forsøk på eksperimentelt å observere et signal, ved hjelp av mange forskjellige teknikker. Figur 1, hentet fra referanse, viser utelukkelsesplottet i flyet, som følge av de ovennevnte søkene. Elektronstråle dump eksperiment dekker regionen med lave masser og svært lave koblinger, ned til ~. For høyere masser og lavere koblinger, grenser kommer hovedsakelig fra meson henfall og elektron-nukleon spredning eksperimenter Og Til b-fabrikker data. Viktig informasjon, som ikke er vist I Figur 1, kan også utledes av astrofysiske observasjoner (se for eksempel og referanser deri). For 10-20 MeV forblir regionen stort sett uutforsket.

Figur 1

Ekskludert region i flyet som følge av dagens tilgjengelige data. Elektronstråle dump eksperiment dekker regionen med lave masser og svært lave koblinger, ned til ~. For høyere masser og lavere koblinger grenser kommer hovedsakelig fra meson henfall og elektron-nukleon spredning eksperimenter Og til b-fabrikker data (plot courtesy Of S. Andreas). Plottet rapporterer også prognosene for forsøkene som for tiden er under bygging. For detaljer om enkelteksperimenter se .

Det er for tiden ulike eksperimenter som enten kjører eller under bygging med sikte på å undersøke en del av denne regionen. Alle er designet for å utnytte strålingsproduksjonen av ved en veldig intens elektron-eller positronstråle på et riktig bygget høyt mål. SPESIELT ER hps-eksperimentet Ved Thomas Jefferson Laboratory (USA) designet for å dekke regionen , MeV (Se Figur 1).

i det følgende vil saken for søket etter mørke fotoner i samme parametere romområde ved en meget høy lysstyrke collider bli diskutert.

3. Søk På Colliders

i de siste tiårene har store mengder data blitt samlet inn ved høy lysstyrke smak fabrikker som opererer på ulike senter for masse energier. Disse dataene spenner fra ~2 fb-1 levert på (1020) toppen av den italienske collider DANE til 0.5-1 ab-1 produsert Av b-fabrikkene PÅ PEP-II (USA) og KEK-B (Japan). I nær fremtid forventes en konsekvent økning av ovennevnte statistikk både HOS DANE og KEK-B, som tar sikte på å øke dataprøven med henholdsvis 10 og 50 faktorer. Et alternativ for å øke sentrum av masse energi AV DANE opp til 2.5 GeV har blitt tatt i betraktning . Endelig er studier for bygging av en collider som er i stand til å levere ~1 ab−1 rundt sjarmgrensen, under vurdering I Italia, Russland og Kina (se for eksempel ).

fra og med i dag har søk etter mørke fotoner på kollidere blitt forfulgt hovedsakelig ved å studere prosessen med etterfølgende forfall av inn i et par. Dette begrenser søket til , som som følge av (2), resulterer i at levetiden er umålelig kort. Derfor kan signalet separeres av den mer omfattende OG ellers uutslettelige QED-bakgrunnen, bare ved å observere en skarp topp i den invariante massefordelingen av det endelige tilstandsparet lepton.

spørsmålet oppstår om det ville være mulig å utvide søket også til regionen med og spesielt med . Hovedbudskapet i dette papiret er at den forventede økningen av den potensielt tilgjengelige dataprøven gjør det mulig å gi et positivt svar på det ovennevnte spørsmålet, ikke bare på grunn av den økte statistiske følsomheten , men også fordi den åpner dørene for muligheten for å observere et klart signal for en lang levetid, som bare er marginal med de tilgjengelige dataene.

Her og i det som følger, for enkelhets skyld, vurderes bare tilfelle av symmetriske maskiner. Også, siden vi er interessert i saken med , kan den mørke fotonen bare forfalle til et par.

differensialtverrsnittet for strålingsproduksjon i kollisjoner er gitt av hvor er vinkelen mellom innkommende positron og den utgående fotonen og betegner sentrum av masseenergien til hendelsen. Ved å integrere den ovennevnte ligningen mellom, får man et totalt tverrsnitt på henholdsvis ca. µb, µ og nb for henholdsvis 3.1 Og 10.5 GeV. Således, i de nåværende tilgjengelige dataprøver, for noen få dusinvis kan bli funnet.

på grunn av de to kroppskinematikkene økes den mørke fotonen i laboratorierammen med en faktor . Derfor, for små kinetiske blandinger og for lave nok mørke fotonmasser, blir levetiden i laboratorierammen betydelig. For eksempel, for Og MeV, er den gjennomsnittlige forfallsbanen til en mørk foton ~1, 3 og 10 cm for henholdsvis 3,1 og 10,5 GeV.

Kan disse lange forfallsbanene utnyttes for å skille et potensielt signal fra QED-bakgrunnen? Klart, selv om det sekundære toppunktet kan bestemmes med standard vertexing teknikker, kan det ikke være, på en hendelse etter hendelse basis. På den annen side kan den faktiske posisjonen og størrelsen på kollisjonskuvertet bestemmes på statistisk basis ved hjelp av kjente prosesser, for eksempel Bhabha-spredning eller myonparproduksjon. Interessant, på alle de aktuelle anleggene, er en av strategiene som brukes til å maksimere lysstyrken, å holde tverrbjelkens dimensjoner på interaksjonspunktet så liten som mulig, typisk ≤1 mm. Derfor, forutsatt en perfekt Gaussisk fordeling av strålepunktet, med en maksimal tverrdimensjon på 1 mm, er sannsynligheten for å observere et toppunkt fra standard QED-prosesser i en tverravstand på 1 cm eller mer fra midten av kollisjonspunktet praktisk talt null. På den annen side kan antall henfallshendelser med tverrgående henfallsbane større enn 1 cm, være så store som flere tusen, avhengig av den faktiske verdien av, og og av lysstyrken integrert av maskinen .

Figur 2 viser variasjonen av som en funksjon av, for forskjellige verdier av og for tre forskjellige eksperimentelle forhold: (a) GeV, fb−1; (b) GeV, ; (c) GeV, ab−1. De valgte verdiene for tilsvarer målytelsen for anleggene som er under bygging eller under studie nevnt ovenfor. Oppførselen til kurvene er lett å forklare. For den gjennomsnittlige forfallsbanen til en mørk foton er mye større enn 1 cm, og øker derfor med, uavhengig av . Den når til slutt en topp og faller raskt mot null, så lenge levetiden blir kortere og kortere med økende levetid. Posisjonen til toppen bestemmes av den riktige balansen mellom effekten av produksjonstverrsnittet, som øker med, og levetiden som avtar med den. Det avhenger ogsa av verdien av, forfallsbanen minker igjen kvadratisk med den. Det er sett at, til tross for lavere produksjon tverrsnitt, den største forventede integrert lysstyrke kombinert med høyere boost faktorer favoriserer b-factory alternativet (case (c)). I dette tilfellet oppnås imidlertid toppen av fordelingen, spesielt for lavere masser, for verdier av den kinetiske blanding ~. Det kan også bemerkes at i tilfelle (a) blir antall observerbare mørke fotoner med masser større enn ~30 mev håpløst liten. Dette skyldes ikke bare den lavere lysstyrken, men også den reduserte Lorentz boost, konsekvensen av kollisjonens nedre senter for masseenergi.

selv om resultatene hittil ser veldig oppmuntrende ut av generelle grunner, er det to hovedbegrensninger som kommer fra implementeringen av den ovennevnte søkestrategien til et ekte eksperiment. På den ene siden, for spesifikke verdier av parametrene, blir levetiden så lang at en relevant del av henfallene vil unnslippe deteksjon av et apparat med realistiske dimensjoner. For Eksempel, For GeV,, Og MeV, er den gjennomsnittlige forfallsbanen omtrent 1,5 m. Enda viktigere, en svært farlig instrumentell bakgrunn kommer i drift, nemlig fotonkonverteringer på detektormaterialet indusert av hendelser. Dette er spesielt relevant siden eksperimenter ofte er designet for å ha strålerør med svært små radier på interaksjonspunktet. Selv om man kan prøve å minimere konverteringssannsynligheten på detektorelementene, ved å velge riktig type og dimensjoner av materialene, er tverrsnittet av prosessen så mye større enn signalet (faktisk er det større med en faktor) at denne bakgrunnen raskt blir uslåelig.

den enkleste måten å takle dette problemet på er å tillate en stor nok tom region rundt interaksjonspunktet, hvor fotoner ikke kan samhandle med materie og mørke fotoner kan i det minste delvis gjennomgå deres forfall. Det ville da være rimelig å akseptere bare hendelser med henfallspunkter som forekommer før strålerøret, men fortsatt langt (1 cm) fra det nominelle strålepunktet. Forutsatt en bjelke rør av 5 cm radius, slik som det i dag brukes av KLOE-2 eksperiment PÅ DANE, antall hendelser således oppnådd innen aksept,, er vist i Figur 3 for de tre tilfellene under vurdering.


(a)

(b)

(c)


(a)
(b)
(c))

Figur 3

Samme Som Figur 2, med ytterligere forespørsel om at den tverrgående forfallsbanen er lavere enn 5 cm.

for høye verdier av, påvirker denne akseptkutt ikke observerbart de tidligere fordelingene. Faktisk, i dette tilfellet, er levetiden så kort at nesten alle de mørke fotoner forfall mye før 5 cm. For lavere verdier av, i stedet, er konsekvensen av kutt i aksept mer synlig og kan redusere antall aksepterte hendelser med en størrelsesorden, spesielt for svært lave masser. Imidlertid, og dette er en av hovedbudskapene i dette papiret, er antallet potensielt observerbare hendelser fortsatt betydelig for et bredt område av parameterrommet, spesielt for de høyere energimaskinalternativene. Spesielt, også mulig for ytterligere deteksjon ineffektivitet, kan det ses at kinetiske blandinger ned til få ganger og masser opp til ~200 MeV kan probes.

Bare Basert på signalstatistikk (dvs., uten å ta hensyn til mulige detektoroppløsningseffekter og andre mulige instrumentelle bakgrunner), oversetter dette til de utforskbare områdene som er vist i Figur 4, for de tre tilfellene som vurderes. Mens tilfelle (a) dekker nesten helt en region som allerede er utelukket av tidligere stråledumpforsøk, kan tilfeller (b) og (c) potensielt sonde en relativt bred uutforsket region (Se Figur 1). På den annen side må det også understrekes at denne samme regionen forventes å bli dekket av de nevnte fremtidige faste målforsøkene (Se Igjen Figur 1).

Figur 4

Explorable region for tilfeller (a) solid, (b) stiplet, og (c) prikket i flyet . Ingen instrumental bakgrunn er tatt i betraktning, samt potensielle effektivitet og oppløsning effekter for detektoren. Over ~210 MeV reduserer åpningen av 2-myon-kanalen drastisk effektiviteten av metoden.

Det er verdt å understreke igjen at kravet om å observere en cm – skala forfallsbane ideelt sett avviser all mulig fysisk bakgrunn til signalet vårt. Likevel må andre instrumentelle effekter tas nøye i betraktning, som diskutert i følgende avsnitt.

4. Implementering På Nåværende Og Fremtidige Anlegg

det er av interesse å forstå hvor vanskelig det ville være å praktisk talt implementere på ekte eksperimentelle fasiliteter ideene diskutert så langt. Dette krever en detaljert kunnskap om selve maskinen og detektorens design og forventet (eller målt) ytelse. Bare spesifikke studier basert på disse tallene kan til slutt avgjøre om metoden er anvendelig eller ikke, i hvilken grad og på hvilken maskin. En åpenbar forskjell mellom våre forenklede modeller og virkeligheten kan bli funnet for eksempel i tilfelle (c); både de gamle Og fremtidige b-fabrikker er faktisk asymmetriske maskiner, elektronstrålen er av høyere energi med hensyn til positron en. Selv om dette kan noe endre de spesifikke akseptkravene med hensyn til det symmetriske alternativet som er omtalt i dette papiret, er det imidlertid rimelig å anta at lignende konklusjoner fortsatt kan trekkes.

av generelle grunner er det fire parametere som må tas i betraktning: den primære produksjonshastigheten, dimensjonene til bjelkene, strålerørets strålerør og detektorens vertexingegenskaper.

når det gjelder det første punktet, til tross for det høyere produksjonstverrsnittet, er fabrikkalternativet (case (a)) mindre utførende enn de andre to, ikke bare på grunn av den mye lavere integrerte lysstyrken, men også, som nevnt tidligere, på grunn av den iboende begrensningen på grunn av de lavere Lorentz boost-faktorene. Forslaget om å kjøre DANSKER ved høyere energier er under denne henseende spesielt interessant fordi dette vil tillate å øke forfallsbanene proporsjonalt til .

som tidligere bemerket, for alle de aktuelle maskinene, blir dimensjonene til bjelkene holdt svært små i tverrretningen. FOR EKSEMPEL, PÅ DANE, bjelkene har ~1,5 mm, ~0,02 mm, og mye lavere dimensjoner på de andre maskinene. Merk at Både Figur 2 og 3, som vi baserer vår søkestrategi på, refererer til tverrgående forfallsbaner, slik at stråledimensjonene i lengderetningen er irrelevante for våre konklusjoner. Åpenbart kan ikke-Gaussiske haler av kollisjonskuvertet til en viss grad øke bakgrunnsforurensningen. Men hvis de ikke er helt undertrykt, kan de fortsatt studeres ved hjelp av andre kjente prosesser, som For Den Gaussiske delen.

en reell bekymring er de faktiske bjelke-rør dimensjoner. BLANT de eksisterende anleggene ER KLOE – 2 PÅ DANE den eneste som har en strålerørradius ved samspillspunktet på 5 cm. Når det gjelder maskinene som kjører på sjarmgrensen, har Den Eneste som for tiden er i drift, Den Kinesiske collider BEPC, et strålerør ved vekselvirkningspunktet på 3,5 cm i radius; imidlertid er dens nåværende lysstyrke omtrent en faktor 100 lavere enn det som kreves av våre argumenter ved den energien. For b-fabrikkene varierer strålerørradiene fra 2,5 cm Til BaBar-detektoren til 1 cm for fremtidig SuperBelle.

mens en revurdering Av den indre Regionen Av SuperBelle er sannsynligvis svært usannsynlig, i tilfelle av en fremtidig høy lysstyrke-sjarm fabrikk, er det tenkelig at interaksjonsregionen kan utformes for å maksimere følsomheten for det mørke fotonsøket som vurderes. Det er verdt å merke seg at forespørselen om å minimere strålerørdimensjonene kommer til første ordre fra forsøket mer enn fra maskinen. Faktisk er de på en eller annen måte anticorrelated med detektorens vertexing evner. Faktisk er oppløsningen av en forfallslengdemåling for en generisk detektor omtrent proporsjonal med enkeltpunktets oppløsning av den mest interne sporingsenheten og omvendt proporsjonal med avstanden fra forfallspunktet. I dette henseende er DEN mindre gunstige situasjonen KLOE-2, hvis første sporingsenhet, en trippel-PERLE sylindrisk detektor, har en intern radius på 12 cm og enkeltpunktsoppløsning på ~200 µ. Likevel er den estimerte vertexoppløsningen for hendelser på 1-2 mm . Bruken av silisiumdetektorer, som kan ha enkeltpunktsoppløsning på ordre 10 µ, ville definitivt bli bedre med HENSYN til KLOE-2-saken. Merkbart kunne alle lep-eksperimentene, som hadde strålerør på 5,5 cm, nå en typisk oppløsning på ~250 µ for b-henfallshendelser, takket være bruken av silisiumdetektorer . Dette innebærer at, vurderer cm skala forfall lengde vi har vært interessert i så langt, vertexing oppløsning bør ikke være et stort problem. På den annen side kan det spille en relevant rolle i overvejelsene som er omtalt i følgende avsnitt.

5. Meson Henfall

Elektron-positronkollidere gir en nyttig produksjonsmekanisme via strålingsvektor meson henfall også. Faktisk, for hver observert forfall(og være en vektor og en pseudoscalar meson, resp.), kan det være en prosess, undertrykt av en faktor i forhold til den tidligere . Dette faktum har faktisk blitt utnyttet av KLOE-2 samarbeid som har søkt etter den mørke foton ved hjelp av prosessen i . Når det gjelder søkene i kanalen, separeres signalet av sm (Dalitz decay) bakgrunnen ved å lete etter en topp i den invariante massefordelingen av det endelige tilstandsparet lepton. Men når levetiden blir betydelig, kjennetegnes disse hendelsene også av tilstedeværelsen av hjørner som er tydelig skilt av kollisjonspunktet, og dermed tillater bruken av søkestrategien beskrevet i de forrige avsnittene.

antall produserte er gitt avhvor er antall produserte vektormesoner, og er forgreningsforholdet for det tilsvarende standard radiative forfall.

La oss først vurdere ovennevnte prosess. På a-fabrikken produseres ~ mesoner hver levert av maskinen. Siden er det lett å se at antall produserte signalhendelser, forutsatt, blir ubetydelig for . På den annen side, for høyere verdier av , blir den gjennomsnittlige forfallsbanen umålelig (sammenlignet med millimeter skala vertexoppløsninger) kort, men for svært lave masser. For eksempel, for det er allerede 0,8 (0,2) cm, For MeV. Med mindre man integrerer luminositeter som i stor grad overstiger de som forventes fra den for tiden vurderte maskinen, er metoden neppe anvendelig for denne forfallskanalen.

La oss nå vende oppmerksomheten mot overgangen. Denne prosessen har allerede blitt studert i, hvor, derimot, saken for kortvarig mørke fotoner bare vurderes. Som før har man /fb−1, kjører på toppen. Tatt i betraktning at man får ~150 hendelser for og ab-1. På den annen side, for denne verdien av kinetisk blanding, er gjennomsnittlig forfallsbane av riktig størrelsesorden bare for et begrenset utvalg av masseverdier. Det er for eksempel 11,2, 2,8 og 0,45 cm for henholdsvis 10, 20 og 50 MeV. Effekten av Dette er sett I Figur 5 hvor antall henfall som forekommer i en avstand mellom 1 og 5 cm fra interaksjonspunktet er plottet som en funksjon av, for forskjellige verdier av . Forskjellig fra saken, her er det effekten av at levetiden er kort for å være dominerende, i hvert fall for de kinetiske blandingsverdiene av interesse, fordi for høyere mørke fotonmasser og lave nok overlever nesten alle for mindre enn 1 cm. Merk også at noen ytterligere reduksjon i antall observerbare hendelser må vurderes på grunn av geometriske aksepthensyn. Likevel er det fortsatt et lite område av parameterrommet som man kan håpe å observere et rimelig antall henfall innen aksept.

Figur 5

Antall mørke fotoner fra prosessen med forfall baner større enn 1 cm og lavere enn 5 cm, som en funksjon av og for ulike verdier av . En integrert lysstyrke på 1 ab-1 vurderes.

det er imidlertid en ytterligere fordel spesifikk av hendelser; disse prosessene kan faktisk også brukes til å måle på en hendelse-for-hendelse basis den faktiske mørke foton forfall banen, forutsatt at den endelige tilstanden meson henfaller til minst et par ladede partikler. I dette tilfellet bestemmer posisjonen til de sistnevnte partiklene primærproduksjonens toppunkt, mens forfallsposisjonen bestemmes som vanlig av den ene.

for eksempel kan man bruke prosessen, hvor paret tillater å bestemme nøyaktig kollisjonspunktet, til prisen for å redusere den totale mengden nyttige hendelser med en faktor ~0,43 . Siden vi er interessert i millimeter skala forfall baner, bør foton konvertering bakgrunnen ikke være et problem lenger. Derimot, det er en fysisk bakgrunn som skal holdes nå i betraktning, nemlig, Dalitz forfall av , . Dens forgreningsforhold kan estimeres til å være omtrent ~, slik at prosessen er ~ ganger hyppigere enn signalet, hvis . Men i dette tilfellet må og-punktene falle sammen i detektorens oppløsning . Derfor kan en reduksjon av bakgrunnen med en faktor oppnås ved å akseptere bare hendelser med målte forfallsbaner større enn . Videre forventes bakgrunnshendelser å ha en bred invariant massefordeling, mens henfall er en smal resonans i en slik kanal. Ikke vurderer formfaktoreffekter, antall bakgrunnshendelser,, i et vindu på rundt er gitt omtrent av

Merk at avhengigheten av (5) favoriserer observasjonen av høyere masse mørke fotoner. På den annen side , siden forfallsbanen skalerer som, favoriserer effekten av en endelig toppunktoppløsning observasjonen av lavere massepartikler.

i et gitt eksperiment bør derfor to parametere ideelt sett holdes så små som mulig, og . Ta For eksempel, MeV. Ifølge (5)vil antall bakgrunnshendelser i den interessante massebeholderen i dette tilfellet være ~ for MeV. Ved å bruke kuttet diskutert ovenfor, reduseres dette tallet til ~20. Derfor, for mm, vil signalbetydningen (dvs.antall signalhendelser dividert med kvadratroten av bakgrunnen) være~. Det er viktig å understreke at i dette tilfellet dimensjonene av strålen røret er å først bestille irrelevant, siden vi har å gjøre med relativt korte forfall lengder. På den annen side må det også bemerkes at vi her antar full deteksjonseffektivitet som kan avsløre en overoptimistisk antagelse. Når det gjelder kontinuumhendelsene, kan bare detaljerte studier basert på realistiske detektorparametere endelig vurdere potensialene til metoden.

6. Konklusjoner

Eksperimentelle søk etter en ny, lys, nøytral boson, den «mørke foton» eller, blir forfulgt i mange laboratorier i verden, ved hjelp av ulike deteksjonsteknikker. Hvis det er lett nok, og hvis koblingene med SM-partikler undertrykkes med en faktor ≤ i forhold til det vanlige fotonet, kan det få en relativt lang levetid. Dette faktum kan utnyttes ved colliders ved å søke et forfall vertex godt adskilt av primærproduksjonen en, i hendelser. Papiret viser at nye generasjon colliders har potensial til å utnytte denne teknikken og kan utforske effektive koblinger ned til noen ganger og massene i området 10-100 mev ca. Generelt er høyere energimaskiner favorisert, fordi Den høyere Lorentz boost av de produserte (lys) bosonene tillater en bedre separasjon av sekundære hjørner. Det ses imidlertid også at implementeringen av denne metoden til virkelige anlegg krever en riktig utforming av interaksjonsregionen og et klokt valg av sporingsdetektoren. Så vidt vi vet, Er strålerørdimensjonene Til SuperBelle langt fra å være optimale under Denne forbindelse. På den annen side, siden alle fremtidige høy lysstyrke-sjarm fabrikker fortsatt er i en foreløpig designstudiefase, er det tenkelig at i dette tilfellet kan interaksjonsregionen utformes for å maksimere følsomheten for den foreslåtte søketeknikken. En slik maskin kan også gi en komplementær søkemetode ved observasjon av fordrevne hjørner i fullt rekonstruerte hendelser, og dermed øke interessen for bygging av et slikt anlegg.

Interessekonflikt

forfatteren erklærer at det ikke er noen interessekonflikt angående utgivelsen av denne artikkelen.

Acnowledgments

forfatteren vil gjerne takke S. Andreas Og D. Babusci for hjelp og nyttige diskusjoner.

Legg igjen en kommentar

Din e-postadresse vil ikke bli publisert.