Dark Photon zoekopdrachten met behulp van verplaatste hoekpunten bij laag-energetische Botsliders

Abstract

het bestaan van een nieuw fotonachtig massief deeltje, het of dark photon, wordt gepostuleerd in verschillende uitbreidingen van het standaardmodel. Deze modellen worden vaak aanbevolen om een aantal recente raadselachtige astrofysische waarnemingen te verklaren, alsmede om de tot nu toe onverklaarbare afwijking tussen de gemeten en berekende waarden van de Muon-anomalie op te lossen. Donkere fotonen kunnen zowel in continuümevents als in vector mesonovergangen worden geproduceerd en kunnen uiteindelijk vervallen in een elektron-positronpaar. Voor een juiste keuze van de parameters van de theorie,kan a een relatief lange levensduur hebben en kan daarom worden waargenomen als een vertex goed gescheiden door het primaire interactiepunt. Dit geval wordt besproken met betrekking tot zeer hoge lichtkracht-botsliders in de bouw of in studie in verschillende laboratoria in de wereld. Er wordt aangetoond dat een zoekstrategie gebaseerd op de detectie van verplaatste hoekpunten in principe zeer effectief kan zijn in het bestrijken van een vrij brede en tot op heden onontgonnen gebied van de theoretische parameterruimte.

1. Inleiding

in het standaardmodel (SM) worden interacties tussen elementaire deeltjes gemedieerd door de vectorbosonen van de sterke, zwakke en elektromagnetische krachten. Experimenteel bewijs voor het bestaan van deze bosonen is overtuigend en nauwkeurige metingen van hun eigenschappen zijn verzameld in de afgelopen decennia. Nieuwe krachten kunnen tot nu toe zijn ontsnapt aan detectie, hetzij als hun geassocieerde bosonen zeer zwaar zijn of als hun koppelingen met gewone materie zwak genoeg zijn. Dit laatste geval is onder andere bepleit in modellen die proberen verschillende raadselachtige astrofysische waarnemingen van de afgelopen jaren te verklaren en met elkaar te verzoenen . Ze worden soms ook gebruikt om de gemeten waarde van de Muon-anomalie te verzoenen met de SM-voorspelling, die ongeveer 3,5 verschillen (zie bijvoorbeeld ).

als er nieuwe, lichte, neutrale bosonen bestaan (die voortaan donkere fotonen zullen worden genoemd) en als ze meetbaar, zij het zwak, gekoppeld zijn aan SM-deeltjes, kunnen ze worden geproduceerd en waargenomen bij botsende stralen en vaste doelexperimenten . In feite zijn er verschillende pogingen geweest om bewijs voor dergelijke deeltjes te observeren, met behulp van gegevens uit lopende faciliteiten of data mining oude experimenten . Aangezien er geen bewijs voor het bestaan ervan is gevonden, zijn grenzen vastgesteld als functie van de massa en van de koppeling ervan aan gewone materie.

in de nabije toekomst wordt verwacht dat nieuwe experimenten die grenzen zullen uitbreiden in een gebied van koppelingen en/of massa ‘ s die tot nu toe nog niet zijn onderzocht. Alle van hen zijn ontworpen om de stralingsproductie van de door een zeer intense elektron of positronstraal op een goed gebouwd hoog – doel te exploiteren . Het doel van deze brief is aan te tonen dat vergelijkbare resultaten kunnen worden verkregen door elektron-positroncolliders met een hoge helderheid en lage energie, zoals die welke in aanbouw zijn of in studie zijn in verschillende laboratoria in de wereld . Deze faciliteiten zullen gebruik maken van twee belangrijke bouwkenmerken die coherent samenzweren om hun ontdekkingspotentieel te vergroten: hun zeer hoge doellichtsterkte en het gebruik van zeer compacte bundels (deze twee kenmerken zijn in feite sterk gecorreleerd). Eigenlijk, hoge helderheid vertaalt zich in de mogelijkheid van het onderzoeken van lagere productie dwarsdoorsneden, dat wil zeggen, lagere effectieve koppelingen tussen de en gewone materie. Aan de andere kant vertalen lage koppelingen zich in langere vervalpaden, vooral bij lage massa ‘ s. Het gebruik van bundels van zeer kleine afmetingen maakt het dus mogelijk om een duidelijk signaal te verkrijgen door het observeren van secundaire hoekpunten van een goed gedefinieerde invariante massa, goed gescheiden door het interactiepunt van de bundels.

in het artikel zal dit geval worden besproken voor drie verschillende mogelijke keuzes van de massa-energie van de machine, die respectievelijk overeenkomt met de massa van de (1020), de (1S) en de (4S) Meson. Deze keuze is ingegeven door de hierboven genoemde projecten. Er zal worden aangetoond dat hogere energiemachines de voorkeur krijgen, niet alleen omdat ze naar verwachting grotere datasets leveren, maar ook omdat de daarin geproduceerde langere vervalpaden hebben, ceteris paribus. De instrumentele effecten spelen echter een relevante rol in de eigenlijke opsporingsstrategie en kunnen in sommige gevallen het ontdekkingspotentieel van de methode dramatisch verminderen. Toch, in het bijzonder voor het geval van een high luminosity-charm factory, het blijft hoog genoeg om concurrerend te zijn met de vaste doel experimenten hierboven vermeld.

het papier is als volgt ingedeeld. In de eerste plaats wordt het theoretische kader van het artikel besproken, samen met een korte presentatie van de experimentele grenzen van het bestaan van donkere fotonen die tot nu toe zijn verkregen. In hoofdstuk 3 wordt ingegaan op de argumenten voor het zoeken bij botsliders met lage energie en hoge helderheid, gevolgd door een aantal overwegingen over de daadwerkelijke toepassing van de voorgestelde methode op bestaande of geplande faciliteiten. Radiatieve Vector meson verval wordt besproken in hoofdstuk 5. Conclusies worden gegeven in Deel 6.

2. Physics Case

in veel nieuwe natuurkundescenario ‘ s wordt de SM uitgebreid door simpelweg een extra symmetrie toe te voegen, waarbij SM-deeltjes in de eerste orde niet worden geladen . Het ijkboson geassocieerd met de nieuwe symmetrie, de , kan nog steeds interageren met gewone materie via kinetische menging beschreven door een effectieve interactie Lagrangian. Overweeg waar het veld staat. De kinetische mengfactor parametriseert de koppelingssterkte ten opzichte van de elektrische lading en wordt voorspeld in verschillende modellen in het bereik . De massa van het donkere foton rust onvoorspelbaar. Op fenomenologische gronden wordt echter de voorkeur gegeven aan massa ‘ s in het mev–GeV-bereik, die van belang zijn voor het huidige werk.

er kunnen niet-SM-materiedeeltjes bestaan die gevoelig zijn voor de nieuwe interactie. Vaak worden ze verondersteld het hoofdbestanddeel te zijn van de nog onontdekte donkere materie component van het universum (DM) en moeten ze daarom elektrisch neutraal en stabiel zijn. Als kinematisch toegestaan, zal het bij voorkeur vervallen in paren van deze deeltjes; zo wordt het verval ” onzichtbaar.”De zaak voor het detecteren van onzichtbare verval wordt besproken, bijvoorbeeld, in . Aan de andere kant, als het donkere foton lichter is dan DM, wordt het gedwongen om te vervallen in een paar SM deeltjes, met een breedte geregeld door (1). In dit geval, de juiste tijd wordt ongeveer gegeven door Waar is het aantal SM verval kanalen toegestaan door kinematica.

er zijn verschillende pogingen gedaan om een signaal experimenteel waar te nemen, met behulp van veel verschillende technieken. Figuur 1 , overgenomen uit de referentie, toont de uitsluiting plot in het vlak , als gevolg van de bovengenoemde zoekopdrachten. Het experiment van de elektronenstraaldump omvat het gebied van lage massa ‘ s en zeer lage koppelingen, tot ~. Voor hogere massa ‘ s en lagere koppelingen, komen de grenzen hoofdzakelijk van Meson verval en elektron-nucleon verstrooiing experimenten en B-fabrieken gegevens. Belangrijke informatie, niet weergegeven in Figuur 1, kan ook worden afgeleid door astrofysische waarnemingen (zie bijvoorbeeld en verwijzingen daarin). Voor 10-20 MeV, de regio met blijft grotendeels onontgonnen.

figuur 1

uitgesloten gebied in het vlak dat voortvloeit uit de momenteel beschikbare gegevens. Het experiment van de elektronenstraaldump omvat het gebied van lage massa ‘ s en zeer lage koppelingen, tot ~. Voor hogere massa ‘ s en lagere koppelingen zijn de grenzen voornamelijk afkomstig van Meson verval en elektron-nucleon verstrooiing experimenten en B-fabrieken gegevens (plot met dank aan S. Andreas). De plot rapporteert ook de projecties voor de experimenten die momenteel in aanbouw zijn. Voor details over afzonderlijke experimenten zie .

er zijn momenteel verschillende experimenten uitgevoerd of in aanbouw gericht op het onderzoeken van een deel van deze regio. Alle van hen zijn ontworpen om de stralingsproductie van de door een zeer intense elektron of positronstraal op een goed gebouwd hoog – doel te exploiteren. In het bijzonder is het HPS-experiment in het Thomas Jefferson Laboratory (USA) ontworpen om de regio , MeV, te bestrijken (zie Figuur 1).

in het volgende zal het geval voor het zoeken naar donkere fotonen in dezelfde parameters ruimtegebied bij een zeer hoge helderheid collider worden besproken.

3. In de laatste decennia zijn grote hoeveelheden gegevens verzameld bij flavourfabrieken met een hoge lichtkracht die in verschillende centra van massa-energie werkzaam zijn. Deze gegevens variëren van de ~ 2 fb-1 geleverd op de (1020) piek door de Italiaanse collider Deen tot de 0,5–1 ab−1 geproduceerd door de B-fabrieken in PEP-II (USA) en KEK-B (Japan). In de nabije toekomst wordt een consistente toename van de bovenstaande statistieken verwacht, zowel bij DANE als bij KEK-B, die tot doel heeft hun gegevenssteekproef te verhogen met factoren van respectievelijk 10 en 50. Een optie om het centrum van massa-energie van DANE tot 2,5 GeV te verhogen is in overweging genomen . Tot slot worden studies voor de bouw van een collider in staat om ~1 ab−1 rond de charme drempel te leveren overwogen in Italië, Rusland en China (zie bijvoorbeeld ).

tot op heden is het zoeken naar donkere fotonen bij botsliders voornamelijk voortgezet door het proces te bestuderen met het daaropvolgende verval van het in een paar. Dit beperkt de zoekopdracht tot, die, als gevolg van (2), resulteert in zijn levensduur onmeetbaar kort. Daarom kan het signaal worden gescheiden door de meer overvloedige en anders niet te onderscheiden QED achtergrond, alleen door het observeren van een scherpe piek in de invariante massaverdeling van de uiteindelijke toestand lepton paar.

de vraag rijst of het mogelijk zou zijn om het zoeken ook uit te breiden tot de regio met en in het bijzonder met . De belangrijkste boodschap van dit document is dat de verwachte toename van de potentieel beschikbare gegevenssteekproef het mogelijk maakt een positief antwoord te geven op bovenstaande vraag, niet alleen vanwege de toegenomen statistische gevoeligheid , maar ook omdat het de deuren opent naar de mogelijkheid om een duidelijk signaal gedurende een lange levensduur waar te nemen, wat slechts marginaal is met de momenteel beschikbare gegevens.

hier en in het navolgende wordt ter wille van de eenvoud alleen het geval van symmetrische machines in aanmerking genomen. Ook, omdat we geïnteresseerd zijn in het geval met, de donkere foton kan verval alleen in een paar.

de differentiële dwarsdoorsnede voor stralingsproductie bij botsingen wordt gegeven door de hoek tussen het inkomende positron en het uitgaande foton en geeft het middelpunt van de massa-energie van de gebeurtenis aan. Door de integratie van de bovenstaande vergelijking tussen, verkrijgt men een totale doorsnede van ongeveer µb, µb, en nb voor , 3.1, en 10.5 GeV, respectievelijk. Dus, in de momenteel beschikbare gegevens monsters, voor een paar tientallen kan worden gevonden.

door de twee lichaamskinematica wordt het donkere foton in het laboratoriumframe met een factor versterkt . Daarom wordt de levensduur in het laboratoriumframe aanzienlijk voor kleine kinetische mengingen en voor laag genoeg donkere fotonmassa ‘ s. Bijvoorbeeld, voor en MeV, het gemiddelde verval pad van een donkere foton is ~1, 3 , en 10 cm voor, 3.1, en 10.5 GeV, respectievelijk.

kunnen deze lange vervalpaden worden benut om een potentieel signaal van de QED-achtergrond te scheiden? Het is duidelijk dat, hoewel de secundaire vertex kan worden bepaald met standaard vertexing technieken, kan niet worden, op een event per event basis. Aan de andere kant, de werkelijke positie en de grootte van de botsing envelop kan worden bepaald op een statistische basis met behulp van bekende processen, zoals Bhabha verstrooiing of muon paar productie. Interessant is dat bij alle onderzochte faciliteiten een van de strategieën die worden gebruikt om de helderheid te maximaliseren, is om de afmetingen van de dwarsbalk op het interactiepunt zo klein mogelijk te houden, meestal ≤1 mm. Daarom, uitgaande van een perfect Gaussiaanse verdeling van de bundelvlek, met een maximale dwarsafmeting van 1 mm, is de kans voor het observeren van een vertex van standaard QED-processen op een dwarsafstand van 1 cm of meer van het centrum van de botsingsplaats praktisch nul. Aan de andere kant, het aantal verval gebeurtenissen met transversale verval pad groter dan 1 cm, kan zo groot zijn als enkele duizenden, afhankelijk van de werkelijke waarde van , , en en van de helderheid geïntegreerd door de machine, .

Figuur 2 toont de variatie van ALS functie van, voor verschillende waarden van en voor drie verschillende experimentele omstandigheden: (a) GeV, fb−1; (B) GeV,; (c) GeV, ab−1. De gekozen waarden voor komen overeen met de beoogde prestaties voor de hierboven vermelde faciliteiten in aanbouw of in studie. Het gedrag van de rondingen is eenvoudig te verklaren. Voor het gemiddelde verval pad van een donkere foton is veel groter dan 1 cm, en dus toeneemt met, onafhankelijk van . Het bereikt uiteindelijk een piek en daalt snel naar nul, zolang, met toenemende , de levensduur korter en korter wordt. De positie van de piek wordt bepaald door het juiste evenwicht tussen het effect van de productiedoorsnede, die toeneemt met , en dat van de levensduur die afneemt met het. Het hangt ook af van de waarde van , het verval pad weer afnemen Quadratisch met het. Men ziet dat, ondanks de lagere productiedoorsnede, de grootste verwachte geïntegreerde lichtkracht in combinatie met de hogere boostfactoren de optie b-fabriek begunstigt (geval c). In dit geval wordt echter de piek van de verdeling, met name bij lagere massa ‘ s, verkregen voor waarden van de kinetische menging ~. Het kan ook worden opgemerkt dat in het geval (a) het aantal waarneembare donkere fotonen met een massa groter dan ~30 MeV hopeloos klein wordt. Dit is niet alleen te wijten aan de lagere helderheid, maar ook aan de verminderde Lorentz boost, gevolg van het lagere centrum van de massa energie van de botsing.

hoewel de tot nu toe verkregen resultaten om algemene redenen zeer bemoedigend lijken, zijn er twee belangrijke beperkingen die voortvloeien uit de implementatie van de bovengenoemde zoekstrategie in een echt experiment. Aan de ene kant wordt voor specifieke waarden van de parameters de levensduur zo lang dat een relevant deel van de verval zou ontsnappen aan de detectie van een apparaat met realistische afmetingen. Bijvoorbeeld, voor GeV,, en MeV, het gemiddelde verval pad is ongeveer 1,5 m. Nog belangrijker is dat een zeer gevaarlijke Instrumentele achtergrond in werking treedt, namelijk fotonconversies op het detectormateriaal dat door gebeurtenissen wordt geïnduceerd. Dit is met name relevant omdat experimenten vaak zijn ontworpen om bundelpijpen met zeer kleine radii op het interactiepunt te hebben. Hoewel men kan proberen om de conversie waarschijnlijkheid op de detector elementen te minimaliseren, door goed te kiezen type en afmetingen van de materialen, de dwarsdoorsnede van het proces is zo veel groter dan het signaal een (in feite is het groter met een factor ) dat deze achtergrond snel onverslaanbaar wordt.

de eenvoudigste manier om met dit probleem om te gaan is om een groot genoeg leeg gebied rond het interactiepunt toe te staan, waar fotonen geen interactie kunnen hebben met materie en donkere fotonen ten minste gedeeltelijk hun verval kunnen ondergaan. Het zou dan redelijk zijn om alleen gebeurtenissen met verval hoekpunten die vóór de balk pijp, maar nog steeds ver (1 cm) van de nominale Balk spot center accepteren. Uitgaande van een straalbuis met een straal van 5 cm, zoals die welke thans door het KLOE-2-experiment te DANE wordt gebruikt, wordt het aantal aldus verkregen gebeurtenissen bij de aanvaarding in Figuur 3 voor de drie onderzochte gevallen weergegeven.


(een)

(b)

(c)


(a)
b)
c)

Figuur 3

Hetzelfde als Figuur 2, met de verdere verzoek dat de transversale pad verval lager dan 5 cm.

voor hoge waarden van, deze acceptatie cut heeft geen waarneembare invloed op de vorige distributies. In feite is in dit geval de levensduur zo kort dat bijna alle donkere fotonen veel voor 5 cm vervallen. Voor lagere waarden van, in plaats daarvan, is het gevolg van de besnoeiing in acceptatie zichtbaarder en kan het aantal geaccepteerde gebeurtenissen met een orde van grootte verminderen, vooral voor zeer lage massa ‘ s. Echter, en dit is een van de belangrijkste boodschappen van dit artikel, het aantal potentieel waarneembare gebeurtenissen blijft nog steeds aanzienlijk voor een groot gebied van de parameterruimte, met name voor de hogere energie machine opties. In het bijzonder, ook rekening houdend met enige verdere detectie inefficiëntie, kan worden gezien dat kinetische vermengingen tot enkele keren en massa ‘ s tot ~200 MeV kan worden gesondeerd.

alleen gebaseerd op signaalstatistieken (d.w.z., zonder rekening te houden met mogelijke detector resolutie Effecten en andere mogelijke Instrumentele achtergronden), dit vertaalt zich in de explorable regio ‘ s weergegeven in Figuur 4, voor de drie gevallen in overweging. Terwijl case (a) bijna volledig een gebied bestrijkt dat reeds door eerdere experimenten met bunkdump was uitgesloten, kunnen de cases (b) en (c) mogelijk een relatief breed onontgonnen gebied onderzoeken (zie Figuur 1). Aan de andere kant moet ook worden benadrukt dat dezelfde regio naar verwachting zal worden gedekt door de bovengenoemde toekomstige vaste doelexperimenten (zie nogmaals figuur 1).

Figuur 4

Explorable regio voor gevallen (a) vast, (b) gestippeld, en (c) gestippeld in het vlak . Er wordt geen rekening gehouden met instrumentele achtergronden, evenals met potentiële efficiëntie-en resolutieeffecten voor de detector. Boven ~210 MeV vermindert de opening van het 2-muon kanaal de effectiviteit van de methode drastisch.

het is de moeite waard nogmaals te benadrukken dat de eis om een cm-Schaal verval pad idealiter verwerpt elke mogelijke fysieke achtergrond van ons signaal. Toch moet met andere instrumentele effecten rekening worden gehouden, zoals in het volgende hoofdstuk wordt besproken.

4. Implementatie in huidige en toekomstige faciliteiten

het is van belang te begrijpen hoe moeilijk het zou zijn om de tot nu toe besproken ideeën praktisch ten uitvoer te leggen op echte experimentele faciliteiten. Dit vereist een gedetailleerde kennis van het ontwerp van de eigenlijke machine en detector en de verwachte (of gemeten) prestaties. Alleen specifieke studies op basis van deze cijfers kunnen uiteindelijk bepalen of de methode al dan Niet toepasbaar is, in welke mate en op welke machine. Een duidelijk verschil tussen onze vereenvoudigde modellen en de werkelijkheid kan bijvoorbeeld worden gevonden in geval (c); zowel de oude als de toekomstige B-fabrieken zijn in feite asymmetrische machines, waarbij de elektronenbundel een hogere energie heeft ten opzichte van de positron. Hoewel dit de specifieke acceptatievereisten met betrekking tot de in dit document besproken symmetrische optie enigszins zou kunnen wijzigen, is het echter redelijk om aan te nemen dat soortgelijke conclusies nog steeds kunnen worden getrokken.

in het algemeen zijn er vier parameters waarmee rekening moet worden gehouden: de primaire productiesnelheid, de afmetingen van de balken, die van de bundelpijp en de vertexingmogelijkheden van de detector.

wat het eerste punt betreft, ondanks de hogere productiedoorsnede, presteert de-factory optie (geval a)) minder dan de andere twee, niet alleen vanwege de veel lagere geïntegreerde helderheid, maar ook, zoals eerder opgemerkt, vanwege de intrinsieke beperking als gevolg van de lagere Lorentzboostfactoren. Het voorstel om Deen op hogere energieën te laten lopen is in dit opzicht bijzonder interessant, omdat dit het mogelijk zou maken de vervalpaden evenredig te verhogen.

zoals eerder opgemerkt, worden de afmetingen van de balken voor alle machines in kwestie in de dwarsrichting zeer klein gehouden. Bijvoorbeeld, bij DANE, de balken hebben ~1,5 mm, ~0,02 mm, en veel lagere afmetingen bij de andere machines. Merk op dat zowel de figuren 2 als 3, waarop we onze zoekstrategie baseren, verwijzen naar dwarse vervalpaden, zodat de afmetingen van de bundel in de lengterichting niet relevant zijn voor onze conclusies. Het is duidelijk dat niet-Gaussiaanse staarten van de collision enveloppe de achtergrondvervuiling kunnen verhogen. Echter, als ze niet volledig onderdrukt, kunnen ze nog steeds worden bestudeerd met behulp van andere bekende processen, zoals voor het Gaussiaanse deel.

een reëel probleem is de werkelijke afmetingen van de buis. Van de bestaande installaties is KLOE-2 in DANE de enige met een straalpijpstraal op het interactiepunt van 5 cm. Wat betreft de machines die op de bedeldrempel lopen, de enige die momenteel in bedrijf is, de Chinese collider BEPC, heeft een straalpijp op het interactiepunt van 3,5 cm in straal; echter, zijn huidige lichtkracht is ongeveer een factor 100 lager dan die vereist door onze argumenten op die energie. Voor de B-fabrieken variëren de straalpijpradii van 2,5 cm voor de Babar detector tot 1 cm voor de toekomstige SuperBelle.Hoewel een heroverweging van het binnenste gebied van SuperBelle waarschijnlijk zeer onwaarschijnlijk is, is het denkbaar dat het interactiegebied Zo kan worden ontworpen dat de gevoeligheid voor het onderzoek naar donkere fotonen wordt gemaximaliseerd. Het is de moeite waard om hier op te merken dat het verzoek voor het minimaliseren van de afmetingen van de balk pijp tot eerste orde komt van het experiment meer dan van de machine. In feite zijn ze op een of andere manier anticorreleerd met de vertexing mogelijkheden van de detector. In feite is de resolutie van een vervallengtemeting voor een generieke detector ongeveer evenredig met de enkelvoudige resolutie van het meest interne volgapparaat en omgekeerd evenredig met de afstand tot het vervalpunt. In dit opzicht is de minder gunstige situatie die van KLOE-2, waarvan de eerste tracking-apparaat, een triple-GEM cilindrische detector, heeft een interne straal van 12 cm en een punt resolutie van ~200 µm. Toch is de geschatte vertex resolutie voor gebeurtenissen 1-2 mm . Het gebruik van siliciumdetectoren, die een puntresolutie van orde 10 µm kunnen hebben, zou zeker verbeteren ten opzichte van de Kloe-2-behuizing. Merkbaar, alle LEP experimenten, die balk leidingen van 5,5 cm had, kon bereiken typische verval lengte resolutie van ~250 µm voor B verval gebeurtenissen, dankzij het gebruik van silicium detectoren . Dit houdt in dat, gezien De cm Schaal verval lengte we zijn geïnteresseerd in tot nu toe, vertexing resolutie zou geen groot probleem zijn. Anderzijds kan het een relevante rol spelen in de overwegingen die in het volgende hoofdstuk worden besproken.

5. Meson-verval

elektron-positron-botsliders bieden ook een nuttig productiemechanisme via radiatieve Vector meson-verval. Eigenlijk, voor elke waargenomen verval ( en zijn een vector en een pseudoscalaire meson, resp.) , zou er een proces kunnen zijn, onderdrukt door een factor ten opzichte van de vorige . Dit feit is eigenlijk uitgebuit door de Kloe-2 samenwerking die heeft gezocht naar de donkere foton met behulp van het proces in . Wat betreft de zoekopdrachten in het kanaal, het signaal wordt gescheiden door de SM (Dalitz verval) achtergrond door te zoeken naar een piek in de invariante massaverdeling van de uiteindelijke toestand lepton paar. Zodra de levensduur echter aanzienlijk wordt, worden deze gebeurtenissen ook gekenmerkt door de aanwezigheid van hoekpunten die duidelijk gescheiden zijn door het botspunt, waardoor het gebruik van de in de vorige paragrafen beschreven zoekstrategie mogelijk is.

het aantal geproduceerde vectormesonen wordt gegeven doorwhere is het aantal geproduceerde vectormesonen, en is de vertakkingsverhouding voor het overeenkomstige standaard radiatief verval.

laten we eerst het bovengenoemde proces bekijken. Bij a-factory, ~ worden mesonen geproduceerd elke geleverd door de machine. Sinds, het is gemakkelijk te zien dat het aantal geproduceerde signaal gebeurtenissen, ervan uitgaande , wordt verwaarloosbaar voor . Aan de andere kant, voor hogere waarden van , het gemiddelde verval pad wordt onmeetbaar (in vergelijking met millimeter schaal vertex resoluties) kort, maar voor zeer lage massa ‘ s. Bijvoorbeeld, want het is al 0,8 (0,2) cm, voor MeV. Tenzij men dus luminositeiten integreert die ruimschoots groter zijn dan die welke van de thans beschouwde machine worden verwacht, is de methode nauwelijks toepasbaar op dit vervalkanaal.

laten we nu onze aandacht richten op de overgang. Dit proces is al bestudeerd in, waar, echter, de zaak voor kortlevende donkere fotonen alleen wordt overwogen. Zoals voorheen heeft men / fb-1, die op de piek loopt. Gezien het feit dat, men verkrijgt ~150 evenementen voor en ab−1. Aan de andere kant, voor deze waarde van kinetische menging, het gemiddelde verval pad is van de juiste orde van grootte alleen voor een beperkt bereik van massawaarden. Het is bijvoorbeeld 11,2, 2,8 en 0,45 cm voor respectievelijk = 10, 20 en 50 MeV. Het effect hiervan is te zien in Figuur 5 waar het aantal verval op een afstand tussen 1 en 5 cm van het interactiepunt wordt uitgezet als functie van , voor verschillende waarden van . Anders dan het geval, hier is het effect van de levensduur die kort is om dominant te zijn, althans voor de kinetische mengwaarden van belang, omdat voor hogere donkere fotonmassa ‘ s en laag genoeg , bijna alle van de overleven voor minder dan 1 cm. Merk ook op dat een verdere vermindering van het aantal waarneembare gebeurtenissen moet worden overwogen als gevolg van geometrische acceptatie overwegingen. Toch blijft er een klein deel van de parameterruimte over waarvoor men kan hopen een redelijk aantal vervalsingen binnen acceptatie waar te nemen.

Figuur 5

aantal donkere fotonen van het proces met vervalpaden groter dan 1 cm en lager dan 5 cm, als functie van en voor verschillende waarden van . Een geïntegreerde luminositeit van 1 ab-1 wordt overwogen.

er is echter nog een ander voordeel specifiek van gebeurtenissen; deze processen kunnen in feite ook worden gebruikt om op een event-by-event basis het werkelijke donkere foton verval pad te meten, op voorwaarde dat het uiteindelijke toestandsmeson vervalt in ten minste een paar geladen deeltjes. In dit geval bepaalt de positie van de laatste deeltjes het primaire productiepunt, terwijl de vervalpositie zoals gewoonlijk door de ene wordt bepaald.

bijvoorbeeld, voor gebeurtenissen, kan men het proces gebruiken, waarbij het paar het precies bepalen van het botspunt mogelijk maakt, tegen de prijs van het verminderen van het totale aantal nuttige gebeurtenissen met een factor ~0,43 . Omdat we geïnteresseerd zijn in millimeter schaal verval paden, de foton conversie achtergrond zou geen probleem meer. Er is echter een fysieke achtergrond die nu in overweging moet worden genomen, namelijk, het Dalitz verval van de , . De vertakking verhouding kan worden geschat op ongeveer ~, zodat het proces ~ keer vaker dan het signaal, als . Echter, in dit geval, de en hoekpunten moeten samenvallen binnen de resolutie van de detector, . Daarom kan een vermindering van de achtergrond met een factor worden bereikt door alleen gebeurtenissen te accepteren met gemeten vervalpaden groter dan . Bovendien wordt verwacht dat achtergrondgebeurtenissen een brede invariante massaverdeling hebben, terwijl verval een smalle resonantie is in een dergelijk kanaal. Zonder rekening te houden met de effecten van de vormfactor, wordt het aantal achtergrondgebeurtenissen, , in een venster van rond ongeveer gegeven door

merk op dat de afhankelijkheid van (5) de waarneming van donkere fotonen met een hogere massa bevordert. Aan de andere kant, aangezien het verval pad schaalt als , het effect van een eindige vertex resolutie bevordert de observatie van lagere massa deeltjes.

in een bepaald experiment moeten daarom twee parameters idealiter zo klein mogelijk worden gehouden, en . Neem bijvoorbeeld MeV. Volgens (5) zou het aantal achtergrondgebeurtenissen in de interessante massabak in dit geval ~ voor MeV zijn. Door het toepassen van de cut hierboven besproken, dit aantal vermindert tot ~20. Daarom zou voor mm de signaalbetekenis (d.w.z., het aantal signaalgebeurtenissen gedeeld door de vierkantswortel van de achtergrond) ~zijn. Het is belangrijk om te benadrukken dat in dit geval de afmetingen van de balk pijp in eerste instantie irrelevant zijn, omdat we te maken hebben met relatief korte vervallengtes. Aan de andere kant moet ook worden opgemerkt dat we hier uitgaan van een volledige detectieefficiëntie die een overoptimistische aanname zou kunnen onthullen. Wat de continuümgebeurtenissen betreft, kunnen alleen gedetailleerde studies gebaseerd op realistische detectorparameters uiteindelijk het potentieel van de methode beoordelen.

6. Conclusies

in veel laboratoria in de wereld wordt met behulp van verschillende detectietechnieken geëxperimenteerd met het zoeken naar een nieuw licht neutraal boson, het “donkere foton” of. Als het licht genoeg is en als de koppelingen met SM-deeltjes met een factor ≤ worden onderdrukt ten opzichte van die van het gewone foton, kan het een relatief lange levensduur krijgen. Dit feit kan worden benut bij botsliders door te zoeken naar een verval vertex goed gescheiden door de primaire productie een, in gebeurtenissen. Het document toont aan dat nieuwe generatie botsliders het potentieel hebben om deze techniek volledig te benutten en effectieve koppelingen tot enkele keren en massa ‘ s in het bereik van 10-100 MeV ongeveer kunnen verkennen. In het algemeen wordt de voorkeur gegeven aan hogere energiemachines, omdat de hogere Lorentzboost van de geproduceerde (licht) bosonen een betere scheiding van de secundaire hoekpunten mogelijk maakt. Er wordt echter ook gezien dat de implementatie van deze methode om echte faciliteiten vereist een goed ontwerp van de interactie regio en een verstandige keuze van de tracking detector. Voor zover wij weten, zijn de afmetingen van de balk pijp van SuperBelle helaas verre van optimaal in dit opzicht. Aan de andere kant, aangezien alle toekomstige high luminosity-charm fabrieken zich nog in een voorbereidende ontwerp studie fase bevinden, is het denkbaar dat in dit geval de interactie regio kan worden ontworpen om de gevoeligheid voor de voorgestelde zoektechniek te maximaliseren. Een dergelijke machine kan ook een aanvullende zoekmethode bieden door de observatie van verplaatste hoekpunten in volledig gereconstrueerde gebeurtenissen, waardoor de interesse voor de bouw van een dergelijke faciliteit wordt vergroot.

belangenconflict

de auteur verklaart dat er geen belangenconflict is met betrekking tot de publicatie van dit artikel.

Acnowledges

de auteur wil S. Andreas en D. Babusci bedanken voor hun hulp en nuttige discussies.

Geef een antwoord

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd.