ciemny Foton przeszukuje za pomocą przesuniętych wierzchołków w Zderzaczach o niskiej energii

Streszczenie

istnienie nowej, fotonowej, masywnej cząstki,lub ciemnego fotonu,jest postulowane w kilku rozszerzeniach Modelu Standardowego. Modele te często zalecają zbadanie kilku ostatnich zagadkowych obserwacji astrofizycznych, a także rozwiązanie dotychczas niewyjaśnionego odchylenia między mierzonymi i obliczonymi wartościami anomalii mionowej. Ciemne fotony mogą powstawać w zderzeniach zarówno w kontinuum, jak i w przejściach mezonów wektorowych i mogą ostatecznie rozpadać się na parę elektron-pozyton. Dla właściwego doboru parametrów teorii, a może mieć stosunkowo długi okres życia i dlatego może być obserwowany jako wierzchołek dobrze oddzielony od siebie głównym punktem oddziaływania. Ten przypadek jest omawiany w odniesieniu do zderzaczy o bardzo wysokiej jasności w budownictwie lub w trakcie badań w kilkuaboratoriach na świecie. Wykazano, że strategia poszukiwań oparta na wykrywaniu przesuniętych wierzchołków może być z zasady bardzo skuteczna, obejmując dość szeroki i do tej pory niezbadany obszar teoretycznej przestrzeni parametrów.

1. Wprowadzenie

w modelu standardowym (SM) interakcje między cząstkami elementarnymi są pośredniczone przez bozony wektorowe silnych, słabych i elektromagnetycznych sił. Eksperymentalne dowody na istnienie tych bozonów są przekonujące i dokładne pomiary ich właściwości zostały zgromadzone w ostatnich dziesięcioleciach. Nowe siły mogły do tej pory uniknąć wykrycia, jeśli ich bozony są bardzo ciężkie, lub jeśli ich sprzężenia ze zwykłą materią są wystarczająco słabe. Ten ostatni przypadek został przedstawiony m.in. w modelach, które próbują wyjaśnić i pogodzić z nimi kilka zagadkowych obserwacji astrofizycznych przeprowadzonych w ostatnich latach . Czasami używa się ich również do pogodzenia zmierzonej wartości anomalii mionowej z prognozą SM, która różni się w przybliżeniu o 3,5 (zob. np. ).

jeśli istnieją nowe, jasne, neutralne bozony (które od teraz będą nazywane lub ciemnymi fotonami) i jeśli są one mierzalnie, choć słabo połączone z cząstkami SM, mogą być wytwarzane i obserwowane w zderzających się wiązkach i eksperymentach ze stałym celem . W rzeczywistości było kilka prób zaobserwowania dowodów na takie cząstki, przy użyciu danych z działających obiektów lub starych eksperymentów eksploracji danych . Ponieważ nie znaleziono dowodów na ich istnienie, wyznaczono granice jako funkcję masy i jej sprzężenia ze zwykłą materią.

w niedalekiej przyszłości oczekuje się, że nowe eksperymenty w budowie wydłużą te granice w regionie sprzęgieł i/lub mas dotąd niezbadanych. Wszystkie z nich są zaprojektowane w celu wykorzystania produkcji radiacyjnej przez bardzo intensywną wiązkę elektronów lub pozytonów na odpowiednio zbudowanym wysokim celu . Celem niniejszego listu jest pokazanie, że porównywalne wyniki można uzyskać dzięki wysokiej jasności i niskoenergetycznym zderzaczom elektronowo-pozytonowym, takim jak te w budowie lub badane w kilku laboratoriach na świecie . Obiekty te będą korzystać z dwóch głównych cech konstrukcyjnych, które spójnie przyczyniają się do zwiększenia ich potencjału odkrywczego: bardzo wysokiej jasności celu i użycia bardzo zwartych wiązek (te dwie cechy są w rzeczywistości silnie skorelowane). Właściwie duża jasność przekłada się na możliwość sondowania niższych przekrojów produkcyjnych, czyli niższych efektywnych sprzężeń między materią a zwykłą. Z drugiej strony, niskie sprzęgła przekładają się na dłuższe ścieżki rozpadu, szczególnie w przypadku niskich mas. Tak więc zastosowanie wiązek o bardzo małych wymiarach pozwala na uzyskanie wyraźnego sygnału poprzez obserwację drugorzędowych wierzchołków dobrze określonej masy niezmienniczej, dobrze oddzielonych punktem oddziaływania wiązek.

w artykule ten przypadek zostanie omówiony dla trzech różnych możliwych wyborów energii środka masy maszyny, odpowiadających odpowiednio masie mezonów (1020), (1S) i (4S). Wybór ten jest motywowany wyżej wymienionymi projektami. Zostanie pokazane, że maszyny o wyższej energii są preferowane, nie tylko dlatego, że oczekuje się, że dostarczą większe zbiory danych, ale także dlatego, że produkowane w nich mają dłuższe ścieżki rozpadu, ceteris paribus. Efekty instrumentalne odgrywają jednak istotną rolę w rzeczywistej strategii wykrywania i mogą w niektórych przypadkach znacznie zmniejszyć potencjał odkrywczy metody. Mimo to, w szczególności w przypadku fabryki o wysokiej jasności-uroku, pozostaje ona wystarczająco wysoka, aby była konkurencyjna w stosunku do stałych eksperymentów docelowych wymienionych powyżej.

gazeta jest zorganizowana w następujący sposób. Po pierwsze, omówiono teoretyczne ramy pracy, wraz z krótką prezentacją uzyskanych do tej pory eksperymentalnych ograniczeń istnienia ciemnych fotonów. Przypadek poszukiwań przy zderzaczach o niskiej energii i wysokiej jasności jest omówiony w sekcji 3, a następnie rozważania na temat faktycznego wdrożenia proponowanej metody do istniejących lub planowanych obiektów. Radiacyjne rozpady mezonów wektorowych omówiono w sekcji 5. Wnioski przedstawiono w punkcie 6.

2. Przypadek fizyczny

w wielu nowych scenariuszach fizyki, SM jest rozszerzany przez dodanie dodatkowej symetrii, zgodnie z którą cząstki SM są ładowane w pierwszej kolejności . Bozon gauge związany z nową symetrią, może nadal oddziaływać ze zwykłą materią poprzez mieszanie kinetyczne opisane przez efektywne oddziaływanie Lagrangiana. Zastanów się, gdzie oznacza pole. Kinetyczny współczynnik mieszania parametryzuje siłę sprzężenia względem ładunku elektrycznego i jest przewidywany w różnych modelach w zakresie . Masa ciemnego fotonu pozostaje nieprzewidywalna. Jednak ze względów fenomenologicznych preferowane są masy w zakresie MeV-GeV, które są interesujące dla niniejszej pracy.

mogą istnieć cząstki nie-SM, które są wrażliwe na nowe oddziaływanie. Często postuluje się, że są one głównym składnikiem nieodkrytej jeszcze składowej ciemnej materii wszechświata (DM) i dlatego muszą być elektrycznie neutralne i stabilne. Jeśli jest to dozwolone kinematycznie, Wola rozpada się korzystnie na pary tych cząstek; w ten sposób jej rozpad staje się ” niewidoczny.”Sprawa wykrywania niewidocznych rozpadów jest omawiana np. w Z drugiej strony, jeśli ciemny foton jest lżejszy od DM, jest zmuszony do rozpadu na parę cząstek SM, o szerokości regulowanej przez (1). W tym przypadku jego właściwy czas jest w przybliżeniu podany przez Gdzie jest liczba kanałów rozpadu SM dozwolona przez kinematykę.

było kilka prób eksperymentalnego zaobserwowania sygnału, przy użyciu wielu różnych technik. Rysunek 1, zaczerpnięty z referencji, pokazuje wykres wykluczenia w płaszczyźnie, wynikający z wyżej wymienionych poszukiwań. Eksperyment zrzutu wiązki elektronów obejmuje obszar niskich mas i bardzo niskich sprzężeń, do ~. Dla wyższych mas i niższych sprzężeń limity pochodzą głównie z rozpadów mezonów i eksperymentów rozpraszania elektronowo-nukleonowego oraz z danych B-Factory. Ważne informacje, nie pokazane na rysunku 1, można również wywnioskować z obserwacji astrofizycznych (patrz na przykład i odniesienia). Dla 10-20 MeV, region z pozostaje w dużej mierze niezbadany.

Rysunek 1

wykluczony region w płaszczyźnie wynikający z aktualnie dostępnych danych. Eksperyment zrzutu wiązki elektronów obejmuje obszar niskich mas i bardzo niskich sprzężeń, do ~. Dla wyższych mas i niższych sprzężeń limity pochodzą głównie z rozpadów mezonów i eksperymentów rozpraszania elektronowo-nukleonowego oraz z danych o B-fabrykach (Wykres dzięki uprzejmości S. Andreasa). Fabuła przedstawia również prognozy dla eksperymentów, które są obecnie w budowie. Szczegółowe informacje na temat pojedynczych eksperymentów patrz .

obecnie prowadzone są różne eksperymenty mające na celu zbadanie części tego regionu. Wszystkie z nich są zaprojektowane w celu wykorzystania produkcji radiacyjnej przez bardzo intensywną wiązkę elektronów lub pozytonów na odpowiednio zbudowanym wysokim celu. W szczególności, eksperyment HPS w Thomas Jefferson Laboratory (USA) jest przeznaczony do pokrycia regionu , MeV (patrz rysunek 1).

poniżej omówiony zostanie przypadek poszukiwania ciemnych fotonów w tym samym obszarze przestrzeni parametrów przy Zderzaczu o bardzo dużej jasności.

3. W ostatnich dziesięcioleciach zgromadzono dużą ilość danych w zakładach o wysokiej jasności działających w różnych ośrodkach energii masowej. Dane te wahają się od ~2 fb−1 dostarczonego na szczycie (1020) przez włoskiego Zderzacza DANE do 0,5–1 ab−1 produkowanego przez fabryki B W PEP-II (USA) i KEK-B (Japonia). W niedalekiej przyszłości oczekuje się konsekwentnego wzrostu powyższych statystyk zarówno w DANE i w KEK-B, który ma na celu zwiększenie ich próbki danych o czynniki 10 i 50, odpowiednio. Wzięto pod uwagę możliwość zwiększenia środka energii masy Duńczyka do 2,5 GeV . Wreszcie, badania nad konstrukcją Zderzacza zdolnego dostarczyć ~1 ab-1 wokół progu uroku są rozważane we Włoszech, Rosji i Chinach (patrz na przykład ).

na dzień dzisiejszy poszukiwania ciemnych fotonów w zderzaczach były prowadzone głównie przez badanie procesu z późniejszym rozpadem na parę. Ogranicza to poszukiwania do , co w konsekwencji (2) powoduje, że jego żywotność jest nieporównywalnie krótka. Dlatego sygnał może być oddzielony przez bardziej obfite i w inny sposób nie do odróżnienia tło QED, tylko obserwując ostry szczyt w niezmienniczym rozkładzie masy pary leptonów stanu końcowego.

pojawia się pytanie, czy możliwe byłoby rozszerzenie poszukiwań również na region, a w szczególności z. Głównym przesłaniem niniejszego artykułu jest to, że przewidywany wzrost potencjalnie dostępnej próbki danych pozwala udzielić pozytywnej odpowiedzi na powyższe pytanie , nie tylko ze względu na zwiększoną wrażliwość statystyczną, ale także dlatego, że otwiera drzwi do możliwości obserwacji wyraźnego sygnału dla długowieczności, co jest jedynie marginalne w stosunku do obecnie dostępnych danych.

tutaj i w dalszej kolejności, dla uproszczenia, rozważany jest tylko przypadek maszyn symetrycznych. Ponadto, ponieważ interesuje nas przypadek z, ciemny Foton może rozpadać się tylko w parę.

przekrój różniczkowy dla produkcji promieniowania w zderzeniach jest podany przez Gdzie jest kąt między przychodzącym pozytonem a wychodzącym fotonem i oznacza środek energii masy zdarzenia. Poprzez zsumowanie powyższego równania otrzymujemy całkowity przekrój w przybliżeniu µb, µb i nb odpowiednio dla 3,1 i 10,5 GeV. Tak więc w obecnie dostępnych próbkach danych można znaleźć kilkadziesiąt.

ze względu na dwie kinematyki ciała, ciemny foton jest wzmacniany w ramie laboratoryjnej o czynnik . W związku z tym, w przypadku małych mieszanek kinetycznych i wystarczająco niskich ciemnych mas fotonów, jego żywotność w ramie laboratoryjnej staje się znaczna. Na przykład dla I MeV średnia ścieżka rozpadu ciemnego fotonu wynosi odpowiednio ~1, 3 i 10 cm dla, 3,1 i 10,5 GeV.

czy te długie ścieżki rozpadu można wykorzystać do oddzielenia potencjalnego sygnału od tła QED? Oczywiście, chociaż wierzchołek wtórny może być określony za pomocą standardowych technik wierzchołków, nie może być, na podstawie zdarzenia po zdarzeniu. Z drugiej strony, rzeczywiste położenie i rozmiar koperty zderzeniowej można określić na podstawie statystycznej przy użyciu znanych procesów, takich jak rozpraszanie Bhabhy lub wytwarzanie pary mionów. Co ciekawe, we wszystkich rozważanych obiektach jedną ze strategii stosowanych w celu zmaksymalizowania jasności jest utrzymanie wymiarów poprzecznej wiązki w punkcie interakcji tak małych, jak to możliwe, zazwyczaj ≤1 mm. Dlatego, zakładając idealnie Gaussowski rozkład plamki wiązki, przy maksymalnym wymiarze poprzecznym 1 mm, prawdopodobieństwo obserwacji wierzchołka ze standardowych procesów QED w odległości poprzecznej 1 cm lub większej od środka punktu zderzenia jest praktycznie zerowe. Z drugiej strony, liczba przypadków rozpadu o poprzecznej ścieżce rozpadu większej niż 1 cm, może być tak duża, jak kilka tysięcy, w zależności od rzeczywistej wartości, i i jasności zintegrowanej przez maszynę,.

Rysunek 2 przedstawia zmienność w funkcji , dla różnych wartości i dla trzech różnych warunków eksperymentalnych: (a) GeV, fb−1; (b) GeV, ; (c) GeV, ab−1. Wybrane wartości dla odpowiadają docelowej wydajności dla obiektów w budowie lub w trakcie badań, o których mowa powyżej. Zachowanie krzywych można łatwo wyjaśnić. Dla średniej ścieżki rozpadu ciemnego fotonu jest znacznie większa niż 1 cm, a zatem wzrasta z, niezależnie od . Ostatecznie osiąga szczyt i gwałtownie spada w kierunku zera, o ile wraz ze wzrostem żywotność staje się coraz krótsza. Położenie piku jest określone przez właściwą równowagę między efektem przekroju produkcyjnego, który wzrasta wraz ze wzrostem, a efektem żywotności, który maleje wraz z nim. Zależy to również od wartości, ścieżka rozpadu maleje ponownie kwadratowo z nim. Widać, że pomimo niższego przekroju produkcyjnego, największa oczekiwana zintegrowana jasność w połączeniu z wyższymi czynnikami boost faworyzuje opcję B-factory (przypadek (c)). W tym przypadku jednak pik rozkładu, zwłaszcza dla mniejszych mas, otrzymuje się dla wartości mieszania kinetycznego ~. Można również zauważyć, że w przypadku (a) liczba obserwowalnych ciemnych fotonów o masach większych niż ~30 MeV staje się beznadziejnie mała. Jest to spowodowane nie tylko niższą jasnością, ale także zmniejszonym impulsem Lorentza, konsekwencją niższego środka energii masowej zderzenia.

chociaż wyniki uzyskane do tej pory wyglądają bardzo zachęcająco z ogólnych względów, istnieją dwa główne ograniczenia wynikające z wdrożenia powyższej strategii wyszukiwania w prawdziwym eksperymencie. Z jednej strony, dla konkretnych wartości parametrów, żywotność staje się tak długa, że odpowiednia część rozpadów uniknie wykrycia aparatu o realistycznych wymiarach. Na przykład dla GeV i MeV średnia ścieżka rozpadu wynosi około 1,5 m. Co ważniejsze, działa bardzo niebezpieczne podłoże instrumentalne, a mianowicie konwersje fotonów na materiale detektora wywołane zdarzeniami. Jest to szczególnie istotne, ponieważ eksperymenty są często przeznaczone do rur wiązkowych o bardzo małych promieniach w punkcie interakcji. Chociaż można próbować zminimalizować prawdopodobieństwo konwersji na elementach detektora, poprzez właściwy dobór rodzaju i wymiarów materiałów, przekrój procesu jest o tyle większy niż sygnałowy (w rzeczywistości jest większy o czynnik), że to tło szybko staje się nie do pobicia.

najprostszym sposobem radzenia sobie z tym problemem jest umożliwienie wystarczająco dużego pustego obszaru wokół punktu oddziaływania, w którym fotony nie mogą wchodzić w interakcje z materią, a ciemne fotony mogą przynajmniej częściowo ulegać rozpadowi. Rozsądne byłoby wówczas akceptowanie tylko zdarzeń z wierzchołkami rozpadu występującymi przed rurą wiązki, ale nadal daleko (1 cm)od nominalnego centrum punktu wiązki. Zakładając rurę wiązki o promieniu 5 cm, taką jak ta obecnie używana w eksperymencie KLOE-2 w DANE, liczba zdarzeń uzyskanych w ten sposób w ramach akceptacji, jest pokazana na rysunku 3 dla trzech rozważanych przypadków.


(a)

(b)

(c)


(a)
b)
(c)

Rysunek 3

tak samo jak na rysunku 2, z dalszym żądaniem, aby poprzeczna ścieżka rozpadu była mniejsza niż 5 cm.

dla wysokich wartości, to cięcie akceptacyjne nie ma zauważalnego wpływu na poprzednie dystrybucje. W rzeczywistości, w tym przypadku, żywotność jest tak krótka, że prawie wszystkie ciemne fotony rozpadają się znacznie przed 5 cm. Dla niższych wartości, zamiast tego, konsekwencja cięcia akceptacji jest bardziej widoczna i może zmniejszyć liczbę akceptowanych zdarzeń o rząd wielkości, zwłaszcza dla bardzo niskich mas. Jednak i jest to jeden z głównych przesłań tego artykułu, liczba potencjalnie obserwowalnych zdarzeń pozostaje nadal znaczna dla szerokiego obszaru przestrzeni parametrów, zwłaszcza dla opcji maszyn o wyższej energii. W szczególności, pozwalając również na dalszą nieefektywność wykrywania, można zauważyć, że można sondować mieszania kinetyczne do kilku razy i masy do ~200 MeV.

oparte tylko na statystykach sygnału (tj., nie biorąc pod uwagę możliwych efektów rozdzielczości detektora i innych możliwych podkładów instrumentalnych), przekłada się to na odkrywalne regiony pokazane na rysunku 4, dla trzech rozważanych przypadków. Podczas gdy Przypadek (A) obejmuje prawie całkowicie obszar już wykluczony przez poprzednie eksperymenty zrzutów wiązki, przypadki (b) I (c) mogą potencjalnie badać stosunkowo szeroki niezbadany region (patrz rysunek 1). Z drugiej strony należy również podkreślić, że oczekuje się, że ten sam region zostanie objęty wspomnianymi przyszłymi eksperymentami o stałych celach (patrz ponownie Rysunek 1).

Rysunek 4

obszar badawczy dla przypadków (a) stałych, (b) przerywanych i (c) przerywanych w płaszczyźnie . Nie są brane pod uwagę żadne tła instrumentalne, a także potencjalne efekty wydajności i rozdzielczości dla detektora. Powyżej ~210 MeV otwarcie kanału 2-mionowego drastycznie zmniejsza skuteczność metody.

warto jeszcze raz podkreślić, że wymóg obserwacji ścieżki rozpadu w skali cm idealnie odrzuca wszelkie możliwe fizyczne tło dla naszego sygnału. Mimo to, inne efekty instrumentalne muszą być starannie wzięte pod uwagę, jak omówiono w poniższej sekcji.

4. Wdrożenie w obecnych i przyszłych obiektach

interesujące jest zrozumienie, jak trudno byłoby praktycznie wdrożyć w rzeczywistych obiektach eksperymentalnych pomysły omówione do tej pory. Wymaga to szczegółowej wiedzy na temat rzeczywistej konstrukcji maszyny i detektora oraz oczekiwanej (lub zmierzonej) wydajności. Tylko konkretne badania oparte na tych liczbach mogą ostatecznie określić, czy metoda ma zastosowanie, w jakim zakresie i na jakiej maszynie. Oczywistą różnicę między naszymi uproszczonymi modelami a rzeczywistością można znaleźć na przykład w przypadku (c); zarówno stare, jak i przyszłe fabryki B są w rzeczywistości maszynami asymetrycznymi, przy czym wiązka elektronów ma wyższą energię w stosunku do pozytonowej. Chociaż może to nieco zmienić szczególne wymogi akceptacji w odniesieniu do opcji symetrycznej omówionej w niniejszym dokumencie, rozsądne jest jednak założenie, że podobne wnioski nadal można wyciągnąć.

Ogólnie rzecz biorąc, należy wziąć pod uwagę cztery parametry: pierwotną szybkość produkcji, wymiary wiązek, wymiary rury wiązki i możliwości wierzchołkowe detektora.

co do pierwszego punktu, pomimo wyższego przekroju produkcyjnego, opcja-factory (case (a)) jest mniej wydajna niż pozostałe dwa, nie tylko ze względu na znacznie niższą zintegrowaną jasność, ale także, jak wspomniano wcześniej, ze względu na wewnętrzne ograniczenie spowodowane niższymi współczynnikami wzmocnienia Lorentza. Propozycja pracy przy wyższych energiach jest pod tym względem szczególnie interesująca, ponieważ pozwoliłoby to proporcjonalnie zwiększyć ścieżki rozpadu do .

jak wspomniano wcześniej, dla wszystkich rozważanych maszyn wymiary belek są bardzo małe w kierunku poprzecznym. Na przykład, w DANE, belki mają ~1,5 mm, ~0,02 mm, a znacznie niższe wymiary w innych maszynach. Zauważ, że zarówno figury 2 i 3, na których opieramy naszą strategię wyszukiwania, odnoszą się do poprzecznych ścieżek rozpadu, więc wymiary wiązki w kierunku wzdłużnym są nieistotne dla naszych wniosków. Oczywiście, nie-gaussowskie ogony koperty kolizyjnej mogą do pewnego stopnia zwiększyć zanieczyszczenie tła. Jednakże, jeśli nie całkowicie stłumione, nadal mogą być badane przy użyciu innych znanych procesów, jak dla części Gaussa.

prawdziwym problemem są rzeczywiste wymiary rur belkowych. Spośród istniejących obiektów, KLOE-2 w DANE jest jedynym, który ma promień rury belki w punkcie oddziaływania 5 cm. Jeśli chodzi o maszyny pracujące na progu uroku, jedyny obecnie działający, Chiński Zderzacz BEPC, ma rurę wiązki w punkcie oddziaływania o promieniu 3,5 cm; jednak jego obecna jasność jest o współczynnik 100 niższy niż wymagany przez nasze argumenty w tej energii. W przypadku B-Factory promienie rur wiązki wahają się od 2,5 cm dla detektora BaBar do 1 cm dla przyszłego SuperBelle.

chociaż ponowne rozważenie wewnętrznego obszaru SuperBelle jest prawdopodobnie bardzo mało prawdopodobne, w przypadku przyszłej fabryki uroku o wysokiej jasności, jest możliwe, że region interakcji można zaprojektować tak, aby zmaksymalizować czułość na rozważane wyszukiwanie ciemnych fotonów. Warto tutaj zauważyć, że prośba o zminimalizowanie wymiarów rury belki przychodzi na pierwsze zamówienie z eksperymentu bardziej niż z maszyny. W rzeczywistości są one w jakiś sposób powiązane z możliwościami wierzchołków detektora. W rzeczywistości rozdzielczość pomiaru długości rozpadu dla detektora ogólnego jest w przybliżeniu proporcjonalna do rozdzielczości pojedynczego punktu najbardziej wewnętrznego urządzenia śledzącego i odwrotnie proporcjonalna do jego odległości od punktu rozpadu. Pod tym względem mniej korzystna sytuacja jest w przypadku KLOE-2, którego pierwsze urządzenie śledzące, Cylindryczny detektor potrójnego kleju, ma wewnętrzny promień 12 cm i rozdzielczość pojedynczego punktu ~200 µm. Mimo to jego szacowana rozdzielczość wierzchołków dla zdarzeń wynosi 1-2 mm . Zastosowanie detektorów krzemowych, które mogą mieć rozdzielczość pojedynczego punktu rzędu 10 µm, zdecydowanie poprawiłoby się w stosunku do przypadku KLOE-2. Zauważalnie, wszystkie eksperymenty LEP, które miały wiązki o długości 5,5 cm, mogły osiągnąć typową rozdzielczość długości rozpadu ~250 µm dla przypadków rozpadu B, dzięki zastosowaniu detektorów krzemowych . Oznacza to, że biorąc pod uwagę długość rozpadu skali cm, którą do tej pory byliśmy zainteresowani, rozdzielczość wierzchołków nie powinna być poważnym problemem. Z drugiej strony może on odgrywać istotną rolę w rozważaniach omówionych w poniższej sekcji.

5. Rozpad mezonu

zderzacze elektronowo-pozytonowe zapewniają użyteczny mechanizm produkcji poprzez rozpady mezonu wektorowego promieniującego. Właściwie, dla każdego obserwowanego rozpadu (a będąc wektorem i mezonem pseudoskalarnym, resp.), może istnieć proces, tłumiony przez czynnik w stosunku do tego pierwszego . Fakt ten został faktycznie wykorzystany przez współpracę KLOE-2, która poszukiwała ciemnego fotonu za pomocą procesu w . Jeśli chodzi o poszukiwania w kanale, sygnał jest oddzielany tłem SM (rozpad Dalitza), szukając piku w niezmienniczym rozkładzie masy pary leptonów stanu końcowego. Jednak gdy czas życia staje się znaczny, zdarzenia te charakteryzują się również obecnością wierzchołków wyraźnie oddzielonych punktem kolizji, co pozwala na zastosowanie strategii wyszukiwania opisanej w poprzednich sekcjach.

liczba wytworzonych mezonów wektorowych jest liczbą wytworzonych mezonów wektorowych i jest współczynnikiem rozgałęzień dla odpowiadającego im standardowego rozkładu radiacyjnego.

rozważmy najpierw wyżej wymieniony proces. W fabryce a mezony ~ są produkowane każdy dostarczany przez maszynę. Ponieważ łatwo jest zauważyć, że liczba wyprodukowanych zdarzeń sygnałowych, zakładając, staje się znikoma dla . Z drugiej strony , dla wyższych wartości średnia ścieżka rozpadu staje się nieproporcjonalnie (w porównaniu z rozdzielczością wierzchołków skali milimetrowej) krótka, ale dla bardzo niskich mas. Dla przykładu, dla MeV jest to już 0,8(0,2) cm. O ile zatem nie integruje się jasności znacznie przekraczających te, których oczekuje się od obecnie rozważanej maszyny, metoda ta nie ma zastosowania do tego kanału rozpadu.

zwróćmy teraz uwagę na przejście. Proces ten był już badany w, gdzie jednak rozważany jest tylko przypadek krótkotrwałych ciemnych fotonów. Jak poprzednio, jeden ma / fb−1, działa na szczycie. Biorąc to pod uwagę, można uzyskać ~150 zdarzeń dla I ab-1. Z drugiej strony, dla tej wartości mieszania kinetycznego średnia ścieżka rozpadu jest WŁAŚCIWEGO rzędu wielkości tylko dla ograniczonego zakresu wartości mas. Jest to na przykład 11,2, 2,8 i 0,45 cm dla odpowiednio 10, 20 i 50 MeV. Efekt ten jest widoczny na fig. 5, gdzie liczba rozpadów występujących w odległości od 1 do 5 cm od punktu oddziaływania jest wykreślona jako funkcja, dla różnych wartości . Inaczej niż w przypadku, tutaj dominujący jest efekt krótkiego życia, przynajmniej dla interesujących wartości kinetycznych mieszania, ponieważ dla wyższych mas ciemnych fotonów i wystarczająco niskich, prawie wszystkie przetrwają mniej niż 1 cm. Należy również zauważyć, że należy rozważyć pewne dalsze zmniejszenie liczby obserwowalnych zdarzeń ze względu na geometryczne względy akceptacyjne. Nadal pozostaje mały obszar przestrzeni parametrów, dla którego można mieć nadzieję zaobserwować rozsądną liczbę rozpadów w ramach akceptacji.

Rysunek 5

liczba ciemnych fotonów z procesu o ścieżkach rozpadu większych niż 1 cm i mniejszych niż 5 cm, w funkcji i dla różnych wartości. Rozważa się całkowitą jasność 1 ab−1.

istnieje jednak kolejna korzyść specyficzna dla zdarzeń; procesy te mogą być w rzeczywistości używane również do pomiaru na podstawie zdarzenia faktycznej ścieżki rozpadu ciemnego fotonu, pod warunkiem, że MEZON stanu końcowego rozpada się na co najmniej parę naładowanych cząstek. W tym przypadku pozycja tych ostatnich cząstek określa pierwotny wierzchołek produkcji, podczas gdy pozycja rozpadu jest określona, jak zwykle, przez jeden.

na przykład w przypadku zdarzeń można użyć procesu, w którym para pozwala dokładnie określić punkt kolizji, za cenę zmniejszenia całkowitej liczby użytecznych zdarzeń o współczynnik ~0,43 . Ponieważ interesują nas ścieżki rozpadu w skali milimetrowej, tło konwersji fotonów nie powinno być już problemem. Jednak istnieje fizyczne tło, które należy teraz wziąć pod uwagę, a mianowicie rozpad Dalitz,. Jego współczynnik rozgałęzień można oszacować na około ~, tak że proces jest ~ razy częstszy niż sygnał, jeśli . Jednak w tym przypadku wierzchołki and muszą pokrywać się w rozdzielczości detektora,. Dlatego redukcję tła o czynnik można osiągnąć akceptując tylko zdarzenia o zmierzonych ścieżkach rozpadu większych niż . Ponadto oczekuje się, że zdarzenia tła mają szeroki niezmienniczy rozkład masy, podczas gdy rozpady są wąskim rezonansem w takim kanale. Nie biorąc pod uwagę efektów form factor, liczba zdarzeń tła, , w oknie Około jest podana w przybliżeniu przez

zauważ, że zależność od (5) sprzyja obserwacji ciemnych fotonów o większej masie. Z drugiej strony, ponieważ ścieżka rozpadu skaluje się tak , efekt skończonej rozdzielczości wierzchołków sprzyja obserwacji cząstek o mniejszej masie.

w danym eksperymencie, dlatego dwa parametry powinny być idealnie utrzymane na jak najmniejszym poziomie, oraz . Weźmy na przykład, , MeV. Zgodnie z (5), liczba zdarzeń tła w interesującym zbiorniku masowym byłaby w tym przypadku ~ dla MeV. Stosując cięcie omówione powyżej, liczba ta zmniejsza się do ~20. Dlatego dla mm znaczenie sygnału (tj. liczba zdarzeń sygnału podzielona przez pierwiastek kwadratowy tła) wynosiłoby ~. Ważne jest, aby podkreślić, że w tym przypadku wymiary rury belki są w pierwszym rzędzie nieistotne, ponieważ mamy do czynienia ze stosunkowo krótkimi długościami rozpadu. Z drugiej strony, należy również zauważyć, że jesteśmy tutaj przy założeniu pełnej skuteczności wykrywania, co może ujawnić zbyt optymistyczne założenie. Jeśli chodzi o zdarzenia continuum, tylko szczegółowe badania oparte na realistycznych parametrach detektora mogą ostatecznie ocenić potencjał metody.

6. Wnioski

eksperymentalne poszukiwania nowego, jasnego, neutralnego bozonu, „ciemnego fotonu” lub , są prowadzone w wielu laboratoriach na świecie, przy użyciu różnych technik detekcji. Jeśli jest wystarczająco lekki i jeśli jego sprzężenia z cząstkami SM są tłumione przez współczynnik ≤ w stosunku do zwykłego fotonu, może uzyskać stosunkowo długą żywotność. Fakt ten można wykorzystać u zderzaczy, przeszukując w zdarzeniach wierzchołek rozpadu dobrze oddzielony od pierwotnego, produkcyjnego. Artykuł pokazuje, że zderzacze nowej generacji mają potencjał, aby w pełni wykorzystać tę technikę i mogą badać skuteczne sprzężenia do kilku razy i masy w zakresie około 10-100 MeV. Ogólnie rzecz biorąc, preferowane są maszyny o wyższej energii, ponieważ większe zwiększenie Lorentza wytwarzanych (lekkich) bozonów pozwala na lepsze oddzielenie wierzchołków wtórnych. Widać jednak również, że wdrożenie tej metody w rzeczywistych obiektach wymaga odpowiedniego zaprojektowania obszaru interakcji i mądrego wyboru detektora śledzenia. Niestety, zgodnie z naszą wiedzą, wymiary rur belkowych SuperBelle nie są pod tym względem optymalne. Z drugiej strony, ponieważ wszystkie przyszłe fabryki o wysokiej jasności nadal znajdują się we wstępnej fazie badań projektowych, można sobie wyobrazić, że w tym przypadku region interakcji można zaprojektować tak, aby zmaksymalizować czułość proponowanej techniki wyszukiwania. Taka maszyna może również stanowić komplementarną metodę wyszukiwania poprzez obserwację przesuniętych wierzchołków w całkowicie zrekonstruowanych zdarzeniach, zwiększając tym samym zainteresowanie budową takiego obiektu.

konflikt interesów

autor oświadcza, że nie ma konfliktu interesów w związku z publikacją niniejszego artykułu.

autor chciałby podziękować S. Andreas i D. Babusci za pomoc i przydatne dyskusje.

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.