căutări fotonice întunecate folosind vârfuri deplasate la Colizoare cu energie redusă

rezumat

existența unei particule masive noi, asemănătoare fotonului, fotonul întunecat,este postulată în mai multe extensii ale Modelului Standard. Aceste modele sunt adesea susținute pentru a explica unele observații astrofizice enigmatice recente, precum și pentru a rezolva abaterea inexplicabilă până acum între valorile măsurate și calculate ale anomaliei muonilor. Fotonii întunecați pot fi produși la colizori atât în evenimente continue, cât și în tranziții mezonice vectoriale și în cele din urmă se pot descompune într-o pereche electron-pozitron. Pentru o alegere corectă a parametrilor teoriei,a poate avea o durată de viață relativ lungă și, prin urmare, poate fi observat ca un vârf bine separat de punctul de interacțiune primar. Acest caz este discutat cu referire la colizoarele de luminozitate foarte mari, fie în construcții, fie în studiu în mai multelaboratoare din lume. Se arată că o strategie de căutare bazată pe detectarea vârfurilor deplasate poate fi, în principiu, foarte eficientă în acoperirea unei regiuni destul de largi și până în prezent neexplorate a spațiului teoretic de parametri.

1. Introducere

în modelul standard (SM), interacțiunile dintre particulele elementare sunt mediate de bosonii vectori ai forțelor puternice, slabe și electromagnetice. Dovezile experimentale pentru existența acestor bosoni sunt convingătoare și măsurători precise ale proprietăților lor au fost acumulate în ultimele decenii. Noile forțe pot fi scăpat de detectare până acum, fie dacă bosonii lor asociați sunt foarte grei, fie dacă cuplajele lor cu materia obișnuită sunt suficient de slabe. Ultimul caz a fost susținut, printre altele, în modele care încearcă să explice și să reconcilieze între ele mai multe observații astrofizice nedumerite efectuate în ultimii ani . Ele sunt uneori folosite și pentru a reconcilia valoarea măsurată a anomaliei muonului cu predicția SM, care diferă cu aproximativ 3,5 (A se vedea, de exemplu, ).

dacă există bosoni noi, ușori, neutri (care de acum înainte vor fi numiți sau fotoni întunecați) și dacă sunt măsurabili, deși slab, cuplați cu particule SM, pot fi produși și observați la ciocniri-fascicule și experimente cu țintă fixă . De fapt, au existat mai multe încercări de a observa dovezi pentru astfel de particule, folosind date din instalații de funcționare sau experimente vechi de extragere a datelor . Deoarece nu s-au găsit dovezi ale existenței lor, au fost stabilite limite în funcție de masă și de cuplarea acesteia cu materia obișnuită.

în viitorul apropiat, se așteaptă ca noi experimente în construcție să extindă aceste limite într-o regiune de cuplaje și/sau mase până acum neexplorate. Toate acestea sunt concepute pentru a exploata producția radiativă a unui fascicul de electroni sau pozitroni foarte intens pe o țintă înaltă construită corespunzător . Scopul prezentei scrisori este de a arăta că rezultate comparabile pot fi obținute prin colizoare de electroni-pozitroni cu luminozitate ridicată și energie redusă, cum ar fi cele aflate în construcție sau în studiu în mai multe laboratoare din lume . Aceste facilități vor profita de două caracteristici principale de construcție care conspira coerent pentru a spori potențialul lor de descoperire: luminozitatea lor foarte mare și utilizarea grinzilor foarte compacte (aceste două caracteristici sunt, de fapt, puternic corelate). De fapt, luminozitatea ridicată se traduce prin posibilitatea de a cerceta secțiuni transversale de producție mai mici, adică cuplaje eficiente mai mici între materia obișnuită și cea obișnuită. Pe de altă parte, cuplajele joase se traduc în căi de descompunere mai lungi, în special pentru masele joase. Astfel, utilizarea grinzilor de dimensiuni foarte mici permite obținerea unui semnal clar prin observarea vârfurilor secundare ale unei mase invariante bine definite, bine separate de punctul de interacțiune a grinzilor.

în lucrare, acest caz va fi discutat pentru trei opțiuni posibile diferite ale energiei Centrului de masă al mașinii, corespunzătoare, respectiv, masei mezonilor (1020), (1s) și (4S). Această alegere este motivată de proiectele menționate mai sus. Se va arăta că mașinile cu energie mai mare sunt favorizate, nu numai pentru că se așteaptă să furnizeze seturi de date mai mari, ci și pentru că produsele produse în acestea au căi de descompunere mai lungi, ceteris paribus. Efectele instrumentale joacă totuși un rol relevant în strategia reală de detectare și pot, în unele cazuri, reduce dramatic potențialul de descoperire al metodei. Totuși, în special în cazul unei fabrici cu luminozitate ridicată, aceasta rămâne suficient de ridicată pentru a fi competitivă la experimentele țintă fixe menționate mai sus.

lucrarea este organizată după cum urmează. În primul rând, este discutat cadrul teoretic al lucrării, împreună cu o scurtă prezentare a limitelor experimentale privind existența fotonilor întunecați obținute până în prezent. Cazul căutărilor la colizoare cu energie redusă și luminozitate ridicată este discutat în secțiunea 3, urmată de câteva considerații privind implementarea efectivă a metodei propuse la instalațiile existente sau planificate. Dezintegrările mezonilor vectori radiativi sunt discutate în secțiunea 5. Concluziile sunt prezentate în secțiunea 6.

2. Cazul fizicii

în multe scenarii noi de fizică, SM este extins prin simpla adăugare a unei simetrii suplimentare, sub care particulele SM sunt neîncărcate la prima comandă . Bosonul ecartament asociat cu noua simetrie, the, poate interacționa în continuare cu materia obișnuită prin amestecarea cinetică descrisă de o interacțiune eficientă Lagrangian. Luați în considerareunde denotă câmpul. Factorul de amestecare cinetică parametrizează puterea de cuplare în raport cu sarcina electrică și este prezis în diferite modele pentru a fi în intervalul . Masa fotonului întunecat este imprevizibilă. Cu toate acestea, din motive fenomenologice, masele din gama MeV–GeV, care prezintă interes pentru lucrarea de față, sunt favorizate.

ar putea exista particule de materie non-SM care sunt sensibile la noua interacțiune. Adesea, ele sunt postulate ca fiind constituentul principal al componentei materiei întunecate încă nedescoperite a universului (DM) și, prin urmare, trebuie să fie neutre și stabile din punct de vedere electric. Dacă este permis cinematic, voința se va descompune de preferință în perechi ale acestor particule; astfel decăderea sa devine „invizibilă.”Cazul pentru detectarea dezintegrărilor invizibile este discutat, de exemplu, în . Pe de altă parte, dacă fotonul întunecat este mai ușor decât DM, acesta este forțat să se descompună într-o pereche de particule SM, cu o lățime reglată de (1). În acest caz, timpul său adecvat este aproximativ dat de unde este numărul de canale de dezintegrare SM permise de cinematică.

au existat mai multe încercări de a observa experimental un semnal, folosind multe tehnici diferite. Figura 1 , preluată din referință , prezintă graficul de excludere din plan, rezultat din căutările menționate mai sus. Experimentul de descărcare a fasciculului de electroni acoperă regiunea maselor scăzute și cuplajelor foarte scăzute, până la~. Pentru mase mai mari și cuplaje mai mici, limitele provin în principal din dezintegrări mezonice și experimente de împrăștiere electron-nucleon și la datele fabricilor B. Informațiile importante, care nu sunt prezentate în Figura 1, pot fi deduse și prin observații astrofizice (a se vedea, de exemplu, și referințele din acestea). Pentru 10-20 MeV, Regiunea cu rămâne în mare parte neexplorată.

Figura 1

Regiune exclusă din plan care rezultă din datele disponibile în prezent. Experimentul de descărcare a fasciculului de electroni acoperă regiunea maselor scăzute și cuplajelor foarte scăzute, până la~. Pentru mase mai mari și cuplaje mai mici, limitele provin în principal din dezintegrări mezonice și experimente de împrăștiere electron-nucleon și la datele fabricilor B (curtoazia complotului S. Andreas). Parcela raportează, de asemenea, proiecțiile pentru experimentele aflate în prezent în construcție. Pentru detalii despre experimente unice vezi .

în prezent, există diverse experimente, fie în desfășurare, fie în construcție, care vizează sondarea unei părți a acestei regiuni. Toate acestea sunt concepute pentru a exploata producția radiativă a unui fascicul de electroni sau pozitroni foarte intens pe o țintă înaltă construită corespunzător. În special, experimentul HPS de la Thomas Jefferson Laboratory (SUA) este conceput pentru a acoperi regiunea , MeV (a se vedea Figura 1).

în cele ce urmează, va fi discutat cazul căutării fotonilor întunecați în aceeași regiune spațială a parametrilor la un colizor de luminozitate foarte mare.

3. Căutări la Colizoare

în ultimele decenii, o cantitate mare de date au fost colectate la fabricile de arome cu luminozitate ridicată care operează în diferite centre de energii de masă. Aceste date variază de la ~2 fb−1 livrate la vârful (1020) de către colizorul Italian DANE la 0,5–1 ab−1 produs de fabricile B de la PEP-II (SUA) și KEK-B (Japonia). În viitorul apropiat, se așteaptă o creștere constantă a statisticilor de mai sus atât la DANE, cât și la KEK-B, care vizează creșterea eșantionului de date cu factori de 10 și, respectiv, 50. A fost luată în considerare o opțiune de creștere a Centrului de energie de masă al danezului până la 2,5 GeV . În cele din urmă, studiile pentru construirea unui colizor capabil să livreze ~1 ab−1 în jurul pragului charm sunt luate în considerare în Italia, Rusia și China (a se vedea, de exemplu ).

începând de astăzi, căutările fotonilor întunecați la colizori au fost urmărite în principal prin studierea procesului cu descompunerea ulterioară a într-o pereche. Acest lucru limitează căutarea la , care, ca o consecință a (2), are ca rezultat durata sa de viață fiind nemăsurat de scurtă. Prin urmare, semnalul poate fi separat de fundalul QED mai copios și altfel indistinguizabil, numai prin observarea unui vârf ascuțit în distribuția de masă invariantă a perechii lepton de stare finală.

se pune întrebarea dacă ar fi posibilă extinderea căutării și la regiunea cu și în special cu . Mesajul principal al lucrării de față este că creșterea preconizată a eșantionului de date potențial disponibil permite să se dea un răspuns pozitiv la întrebarea de mai sus, nu numai din cauza sensibilității statistice crescute , ci și pentru că deschide ușile posibilității de a observa un semnal clar pentru o durată lungă de viață, care este doar marginală cu datele disponibile în prezent.

aici și în ceea ce urmează, din motive de simplitate, este luat în considerare doar cazul mașinilor simetrice. De asemenea , din moment ce suntem interesați de cazul cu, fotonul întunecat se poate descompune doar într-o pereche.

secțiunea transversală diferențială pentru producția radiativă în coliziuni este dată de unde este unghiul dintre pozitronul care intră și fotonul care iese și denotă centrul energiei de masă a evenimentului. Prin integrarea ecuației de mai sus între , se obține o secțiune transversală totală de aproximativ centib, centib și NB pentru, 3,1 și , respectiv, 10,5 GeV. Astfel, în probele de date disponibile în prezent, pentru câteva zeci pot fi găsite.

datorită celor două cinematici ale corpului, fotonul întunecat este amplificat în cadrul laboratorului cu un factor . Prin urmare, pentru amestecurile cinetice mici și pentru masele fotonice întunecate suficient de scăzute, durata sa de viață în cadrul laboratorului devine considerabilă. De exemplu, pentru și MeV, calea medie de descompunere a unui foton întunecat este de ~1, 3 și 10 cm pentru, 3,1 și , respectiv, 10,5 GeV.

pot fi exploatate aceste căi lungi de descompunere pentru a separa un semnal potențial de fundalul QED? În mod clar, deși vertexul secundar poate fi determinat cu tehnici standard de vertexare, nu poate fi, în funcție de eveniment. Pe de altă parte, poziția reală și dimensiunea anvelopei de coliziune pot fi determinate pe o bază statistică folosind procese cunoscute, cum ar fi împrăștierea Bhabha sau producția de perechi de muoni. Interesant, la toate instalațiile luate în considerare, una dintre strategiile utilizate pentru a maximiza luminozitatea este de a menține dimensiunile fasciculului transversal la punctul de interacțiune cât mai mici posibil, de obicei de 1 mm. Prin urmare, presupunând o distribuție perfect Gaussiană a punctului fasciculului, cu o dimensiune transversală maximă de 1 mm, probabilitatea de a observa un vârf din procesele QED standard la o distanță transversală de 1 cm sau mai mult de centrul punctului de coliziune este practic zero. Pe de altă parte, numărul de evenimente de dezintegrare cu calea de dezintegrare transversală mai mare de 1 cm, poate fi la fel de mare ca câteva mii, în funcție de valoarea reală a,, și și a luminozității integrate de mașină, .

Figura 2 prezintă variația în funcție de , pentru valori diferite ale și pentru trei condiții experimentale diferite: (a) GeV, fb−1; (b) GeV, ; (c) GEV, ab−1. Valorile alese pentru corespund performanței țintă pentru instalațiile aflate în construcție sau în studiu menționate mai sus. Comportamentul curbelor este ușor de explicat. Pentru calea medie de dezintegrare a unui foton întunecat este mult mai mare de 1 cm și, prin urmare , crește cu, independent de . În cele din urmă atinge un vârf și scade rapid spre zero, atâta timp cât, odată cu creșterea , durata de viață devine din ce în ce mai scurtă. Poziția vârfului este determinată de echilibrul adecvat între efectul secțiunii transversale de producție, care crește odată cu acesta , și cel al duratei de viață care scade odată cu acesta. Aceasta depinde, de asemenea , valoarea, calea de dezintegrare în scădere din nou cvadratic cu ea. Se observă că, în ciuda secțiunii transversale mai mici a producției, cea mai mare luminozitate integrată preconizată combinată cu factorii de impuls mai mari favorizează opțiunea B-factory [cazul (c)]. În acest caz, totuși, vârful distribuției, în special pentru masele inferioare, este obținut pentru valorile amestecului cinetic ~. Se poate observa, de asemenea, că în cazul (a) Numărul de fotoni întunecați observabili cu mase mai mari de ~30 MeV devine iremediabil mic. Acest lucru nu se datorează numai luminozității mai mici, ci și creșterii reduse a Lorentz, consecință a Centrului inferior al energiei de masă a coliziunii.

deși rezultatele obținute până acum arată foarte încurajatoare din motive generale, există două limitări principale care provin din implementarea Strategiei de căutare de mai sus într-un experiment real. Pe de o parte, pentru valorile specifice ale parametrilor, durata de viață devine atât de lungă încât o parte relevantă a dezintegrărilor ar scăpa de detectarea unui aparat de dimensiuni realiste. De exemplu, pentru GeV, , și MeV, calea medie de dezintegrare este de aproximativ 1,5 m. Mai important, intră în funcțiune un fundal instrumental foarte periculos, și anume conversiile fotonilor pe materialul detectorului indus de evenimente. Acest lucru este deosebit de relevant, deoarece experimentele sunt adesea concepute pentru a avea țevi de fascicul cu raze foarte mici la punctul de interacțiune. Deși se poate încerca minimizarea probabilității de conversie pe elementele detectorului, prin alegerea corectă a tipului și dimensiunilor materialelor, secțiunea transversală a procesului este atât de mare decât cea a semnalului (de fapt, este mai mare cu un factor ) încât acest fundal devine rapid imbatabil.

cel mai simplu mod de a face față acestei probleme este de a permite o regiune suficient de mare goală în jurul punctului de interacțiune, unde fotonii nu pot interacționa cu materia și fotonii întunecați pot suferi cel puțin parțial degradarea lor. Atunci ar fi rezonabil să se accepte numai evenimente cu vârfuri de descompunere care apar înainte de conducta fasciculului, dar încă departe (1 cm) de centrul nominal al punctului fasciculului. Presupunând o țeavă cu rază de 5 cm, cum ar fi cea utilizată în prezent de experimentul KLOE-2 la DANE, numărul de evenimente astfel obținute în cadrul acceptării,, este prezentat în Figura 3 pentru cele trei cazuri luate în considerare.


(a)

(b)

(c)


(a)
(b)
(c)

Figura 3

la fel ca figura 2, cu solicitarea suplimentară ca calea de descompunere transversală să fie mai mică de 5 cm.

pentru valori ridicate ale, această reducere de acceptare nu afectează observabil distribuțiile anterioare. De fapt, în acest caz, durata de viață este atât de scurtă încât aproape toți fotonii întunecați se descompun cu mult înainte de 5 cm. Pentru valori mai mici ale , în schimb, consecința reducerii acceptării este mai vizibilă și poate reduce numărul de evenimente acceptate cu un ordin de mărime, în special pentru mase foarte mici. Cu toate acestea, și acesta este unul dintre mesajele principale ale acestei lucrări, numărul de evenimente potențial observabile rămâne încă considerabil pentru o regiune largă a spațiului parametrilor, în special pentru opțiunile mașinii cu energie mai mare. În special, permițând, de asemenea, o ineficiență suplimentară de detectare, se poate observa că amestecurile cinetice de până la câteva ori și masele de până la ~200 MeV pot fi probate.

bazat doar pe statistici de semnal (i. e., fără a lua în considerare posibilele efecte de rezoluție a detectorului și alte posibile medii instrumentale), acest lucru se traduce în regiunile explorabile prezentate în Figura 4, pentru cele trei cazuri luate în considerare. În timp ce Cazul (A) acoperă aproape în întregime o regiune deja exclusă de experimentele anterioare de descărcare a fasciculului, cazurile (b) și (c) pot sonda o regiune neexplorată relativ largă (a se vedea Figura 1). Pe de altă parte, trebuie subliniat, de asemenea, că se preconizează că aceeași regiune va fi acoperită de viitoarele experimente cu ținte fixe menționate anterior (a se vedea din nou Figura 1).

Figura 4

Regiune Explorabilă pentru cazuri (a) solid, (b) punctat și (c) punctat în plan . Nu sunt luate în considerare fundaluri instrumentale, precum și efecte potențiale de eficiență și rezoluție pentru detector. Peste ~210 MeV, deschiderea canalului 2-muon reduce drastic eficacitatea metodei.

merită să subliniem încă o dată că cerința de a observa o cale de descompunere la scară cm respinge în mod ideal orice fundal fizic posibil semnalului nostru. Totuși, alte efecte instrumentale trebuie luate în considerare cu atenție, așa cum se discută în secțiunea următoare.

4. Implementarea la instalațiile actuale și viitoare

este de interes înțelegerea cât de dificil ar fi să implementăm practic pe instalații experimentale reale ideile discutate până acum. Acest lucru necesită o cunoaștere detaliată a mașinii reale și a proiectării detectorului și a performanței așteptate (sau măsurate). Numai studiile specifice bazate pe aceste cifre pot determina în final dacă metoda este aplicabilă sau nu, în ce măsură și pe ce mașină. O diferență evidentă între modelele noastre simplificate și realitate poate fi găsită, de exemplu, în cazul (c); atât vechile, cât și viitoarele fabrici B sunt de fapt mașini asimetrice, fasciculul de electroni fiind de energie mai mare față de cel pozitron. Deși acest lucru ar putea schimba oarecum cerințele specifice de acceptare în ceea ce privește opțiunea simetrică discutată în această lucrare, este totuși rezonabil să presupunem că se pot trage concluzii similare.

din motive generale, există patru parametri care trebuie luați în considerare: rata de producție primară, dimensiunile grinzilor, cele ale conductei fasciculului și capacitățile de vertexare ale detectorului.

în ceea ce privește primul punct, în ciuda secțiunii transversale de producție mai mari, opțiunea-factory (cazul (a)) este mai puțin performantă decât celelalte două, nu numai din cauza luminozității integrate mult mai scăzute, ci și, așa cum s-a menționat anterior, din cauza limitării intrinseci datorate factorilor de impuls Lorentz inferiori. Propunerea de a rula DANE la energii mai mari este, în acest sens, deosebit de interesantă, deoarece acest lucru ar permite creșterea căilor de dezintegrare proporțional cu .

după cum sa menționat anterior, pentru toate mașinile luate în considerare, dimensiunile grinzilor sunt păstrate foarte mici în direcția transversală. De exemplu, la DANE, grinzile au ~1,5 mm, ~0,02 mm și dimensiuni mult mai mici la celelalte mașini. Rețineți că ambele figuri 2 și 3, pe care ne bazăm strategia de căutare, se referă la căi de dezintegrare transversală, astfel încât dimensiunile fasciculului în direcția longitudinală sunt irelevante pentru concluziile noastre. Evident, cozile non-gaussiene ale plicului de coliziune pot crește într-o oarecare măsură contaminarea de fond. Cu toate acestea, dacă nu sunt complet suprimate, ele pot fi încă studiate folosind alte procese cunoscute, ca și pentru partea Gaussiană.

o preocupare reală este dimensiunile reale ale fasciculului-țeavă. Printre facilitățile existente, KLOE-2 la DANE este singurul care are o rază de țeavă de fascicul la punctul de interacțiune de 5 cm. În ceea ce privește mașinile care rulează la pragul charm, singurul care funcționează în prezent, colizorul chinez BEPC, are o țeavă de fascicul la punctul de interacțiune de 3,5 cm în rază; cu toate acestea, luminozitatea sa actuală este cu aproximativ un factor 100 mai mic decât cel cerut de argumentele noastre la acea energie. Pentru fabricile B, razele de țeavă cu fascicul variază de la 2,5 cm pentru detectorul BaBar la 1 cm pentru viitorul SuperBelle.

în timp ce o reconsiderare a regiunii interioare a SuperBelle este probabil foarte puțin probabilă, în cazul unei viitoare fabrici de luminozitate ridicată, este posibil ca regiunea de interacțiune să poată fi proiectată astfel încât să maximizeze sensibilitatea pentru căutarea fotonilor întunecați în cauză. Merită observat aici că cererea de minimizare a dimensiunilor țevii fasciculului vine la prima comandă din experiment mai mult decât din mașină. De fapt, ele sunt cumva anticorrelate cu capacitățile de vertexare ale detectorului. De fapt, rezoluția unei măsurători a lungimii de dezintegrare pentru un detector generic este aproximativ proporțională cu rezoluția cu un singur punct a celui mai intern dispozitiv de urmărire și invers proporțională cu distanța sa față de punctul de dezintegrare. În acest sens, situația mai puțin favorabilă este cea a lui KLOE-2, al cărui prim dispozitiv de urmărire, un detector cilindric triplu-GEM, are o rază internă de 12 cm și o rezoluție cu un singur punct de ~200 oqqm. Totuși, rezoluția sa estimată a vârfurilor pentru evenimente este de 1-2 mm . Utilizarea detectoarelor de siliciu, care pot avea o rezoluție cu un singur punct de ordinul 10 centimetric, s-ar îmbunătăți cu siguranță în ceea ce privește cazul KLOE-2. În mod evident, toate experimentele LEP, care au avut țevi de fascicul de 5,5 cm, ar putea atinge o rezoluție tipică a lungimii de dezintegrare de ~250 unqqm pentru evenimentele de dezintegrare B, datorită utilizării detectoarelor de siliciu . Acest lucru implică faptul că, având în vedere lungimea de dezintegrare a scării cm de care am fost interesați până acum, rezoluția de Vertex nu ar trebui să fie o problemă majoră. Pe de altă parte, poate juca un rol relevant în considerațiile discutate în secțiunea următoare.

5. Dezintegrările mezonului

colizoarele Electron-pozitron oferă un mecanism de producție util și prin dezintegrarea mezonului vector radiativ. De fapt, pentru fiecare degradare observată ( și fiind un vector și un Mezon pseudoscalar, resp.), ar putea exista un proces, suprimat de un factor în raport cu cel dintâi . Acest fapt a fost exploatat de colaborarea KLOE-2 care a căutat fotonul întunecat folosind procesul. În ceea ce privește căutările din canal, semnalul este separat de fundalul SM (Dalitz decay) căutând un vârf în distribuția de masă invariantă a perechii lepton de stare finală. Cu toate acestea, odată ce durata de viață devine considerabilă, aceste evenimente sunt caracterizate și de prezența unor vârfuri clar separate de punctul de coliziune, permițând astfel utilizarea strategiei de căutare descrise în secțiunile anterioare.

numărul de produse este dat deunde este numărul de mezoni vectori produși și este raportul de ramificare pentru decăderea radiativă standard corespunzătoare.

Să analizăm mai întâi procesul menționat mai sus. La a-factory, ~ mezonii sunt produși fiecare livrat de mașină. Întrucât , este ușor de văzut că numărul de evenimente de semnal produse, presupunând, devine neglijabil pentru . Pe de altă parte , pentru valori mai mari ale, calea medie de dezintegrare devine nemăsurabilă (în comparație cu rezoluțiile vârfurilor la scară milimetrică) scurt, dar pentru mase foarte mici. De exemplu, pentru că este deja 0,8 (0,2) cm, pentru MeV. Prin urmare, cu excepția cazului în care se integrează luminozități care depășesc în mare măsură cele așteptate de la mașina considerată în prezent, metoda este greu aplicabilă acestui canal de descompunere.

să ne îndreptăm acum atenția spre tranziție. Acest proces a fost deja studiat în , în cazul în care, cu toate acestea, cazul pentru fotoni negri de scurtă durată numai este luată în considerare. Ca și înainte, unul are / fb−1, care rulează la vârf. Având în vedere că, se obține ~150 evenimente pentru și ab−1. Pe de altă parte, pentru această valoare a amestecării cinetice, calea medie de dezintegrare este de ordinul corect de mărime numai pentru un interval limitat de valori de masă. Este, de exemplu, 11,2, 2,8 și 0,45 cm pentru = 10, 20 și, respectiv, 50 MeV. Efectul acestui lucru este văzut în Figura 5 unde numărul de dezintegrări care apar la o distanță cuprinsă între 1 și 5 cm de punctul de interacțiune este reprezentat grafic în funcție de , pentru diferite valori ale . În mod diferit față de caz, aici, efectul duratei de viață este scurt pentru a fi dominant, cel puțin pentru valorile de amestecare cinetică de interes, deoarece pentru masele fotonice întunecate mai mari și suficient de scăzute , aproape toate supraviețuiesc pentru mai puțin de 1 cm. Rețineți, de asemenea, că trebuie luată în considerare o reducere suplimentară a numărului de evenimente observabile din cauza considerațiilor de acceptare geometrică. Totuși, rămâne o mică regiune a spațiului parametrilor pentru care se poate spera să se observe un număr rezonabil de dezintegrări în cadrul acceptării.

Figura 5

numărul de fotoni întunecați din proces cu căi de dezintegrare mai mari de 1 cm și mai mici de 5 cm, în funcție de și pentru diferite valori ale . Se consideră o luminozitate integrată de 1 ab−1.

cu toate acestea, există un beneficiu suplimentar specific evenimentelor; aceste procese pot fi de fapt utilizate și pentru a măsura, eveniment cu Eveniment, calea reală de descompunere a fotonului întunecat, cu condiția ca mezonul de stare finală să se descompună în cel puțin o pereche de particule încărcate. În acest caz, poziția ultimelor particule determină vârful de producție primar, în timp ce poziția de dezintegrare este determinată, ca de obicei, de unul.

de exemplu, pentru evenimente, se poate folosi procesul , unde perechea permite determinarea exactă a punctului de coliziune, la prețul reducerii cantității totale de evenimente utile cu un factor ~0,43 . Deoarece suntem interesați de căile de dezintegrare la scară milimetrică, fundalul conversiei fotonilor nu ar trebui să mai fie o problemă. Cu toate acestea, există un fundal fizic care trebuie ținut acum în considerare, și anume, decăderea Dalitz a,. Raportul său de ramificare poate fi estimat a fi aproximativ~, astfel încât procesul este de ~ ori mai frecvent decât semnalul, dacă . Cu toate acestea, în acest caz, vârfurile și trebuie să coincidă în rezoluția detectorului, . Prin urmare, o reducere a fundalului cu un factor poate fi realizată prin acceptarea numai a evenimentelor cu căi de dezintegrare măsurate mai mari decât . Mai mult, se așteaptă ca evenimentele de fundal să aibă o distribuție largă de masă invariantă, în timp ce dezintegrările sunt o rezonanță îngustă într-un astfel de canal. Fără a lua în considerare efectele factorului de formă, Numărul de evenimente de fundal, , într-o fereastră de aproximativ este dat aproximativ de

rețineți că dependența de (5) favorizează observarea fotonilor întunecați în masă mai mare. Pe de altă parte , deoarece calea de dezintegrare se scalează ca, efectul unei rezoluții finite a vârfurilor favorizează observarea particulelor de masă mai mici.

într-un experiment dat, prin urmare, doi parametri ar trebui să fie păstrați în mod ideal cât mai mici posibil și . Luați, de exemplu,, MeV. Conform (5), numărul evenimentelor de fundal din coșul de masă interesant ar fi în acest caz ~ pentru MeV. Prin aplicarea tăieturii discutate mai sus, acest număr se reduce la ~20. Prin urmare, pentru mm, semnificația semnalului (adică numărul de evenimente de semnal împărțit la rădăcina pătrată a fundalului) ar fi ~. Este important de subliniat faptul că, în acest caz, dimensiunile țevii fasciculului sunt de ordinul întâi irelevante, deoarece avem de-a face cu lungimi de dezintegrare relativ scurte. Pe de altă parte, trebuie remarcat, de asemenea, că suntem aici presupunând o eficiență completă de detectare care ar putea dezvălui o ipoteză supraoptimistă. În ceea ce privește evenimentele continuum, numai studii detaliate bazate pe parametrii detectorului realist pot evalua în cele din urmă potențialul metodei.

6. Concluzii

căutările experimentale pentru un boson nou, ușor, neutru, „fotonul întunecat” sau , sunt urmărite în multe laboratoare din lume, folosind diferite tehnici de detectare. Dacă este suficient de ușor și dacă cuplajele sale cu particule SM sunt suprimate de un factor de la un nivel la altul față de cele ale fotonului obișnuit, acesta poate dobândi o durată de viață relativ lungă. Acest fapt poate fi exploatat la colizori prin căutarea unui vârf de descompunere bine separat de cel de producție primară, în evenimente. Lucrarea arată că colizoarele de nouă generație au potențialul de a exploata pe deplin această tehnică și pot explora cuplaje eficiente de câteva ori și mase în intervalul 10-100 MeV aproximativ. În general, mașinile cu energie mai mare sunt favorizate, deoarece creșterea Lorentz mai mare a bosonilor (ușori) produși permite o mai bună separare a vârfurilor secundare. De asemenea, se vede, totuși, că implementarea acestei metode în instalații reale necesită o proiectare adecvată a regiunii de interacțiune și o alegere înțeleaptă a detectorului de urmărire. Din cunoștințele noastre, din păcate, dimensiunile conductei de fascicul ale SuperBelle sunt departe de a fi optime în acest sens. Pe de altă parte, deoarece toate viitoarele fabrici cu luminozitate ridicată se află încă într-o fază preliminară de studiu de proiectare, este posibil ca, în acest caz, regiunea de interacțiune să poată fi proiectată astfel încât să maximizeze sensibilitatea pentru tehnica de căutare propusă. O astfel de mașină poate oferi, de asemenea, o metodă de căutare complementară prin observarea vârfurilor deplasate în evenimente complet reconstruite, sporind astfel interesul pentru construirea unei astfel de instalații.

Conflict de interese

autorul declară că nu există niciun conflict de interese în ceea ce privește publicarea acestei lucrări.

Acnowledgments

autorul ar dori să-i mulțumească lui S. Andreas și D. Babusci pentru ajutor și discuții utile.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată.