NA64 bruger højenergi SPS-myonstrålen til at søge efter mørkt stof

NA64-eksperimentet startede operationer på CERNs SPS North Area i 2016. Dets formål er at søge efter ukendte partikler fra en hypotetisk "mørk sektor". Til disse søgninger retter NA64 en elektronstråle mod et fast mål. Forskere leder derefter efter ukendte mørke sektorpartikler produceret ved kollisioner mellem strålens elektroner og målets atomkerner.

For nylig begyndte NA64-holdet at bruge en myonstråle fra SPS til at søge efter nye partikler, der overvejende interagerer med muoner - tungere versioner af elektronen - og samtidig kunne forklare det langvarige puslespil med myonens unormale magnetiske øjeblik og det mørke stof. (DM) problem. Deres første resultater blev accepteret i tidsskriftet Physical Review Letters den 8. april.

I dette papir sætter NA64-samarbejdet nye grænser for det tilgængelige parameterrum - vinduet, hvor forskerne kunne finde en hypotetisk mørk boson Z'-kobling kun til myoner og tauoner for givne værdier af dens masse og koblingsstyrke.

I den såkaldte vaniljemodel kan Z'en kun henfalde tilbage til neutrinoer og kunne give en forklaring på myonens unormale magnetiske momentpuslespil. Men i udvidede modeller kan det også forfalde til DM-kandidater. Dette ville løse DM-problemet ved at forudsige den observerede relikvietæthed af DM-partikler skabt i det tidlige univers.

Med disse resultater demonstrerer NA64-samarbejdet det store potentiale af myonstråler i søgninger efter mørkt stof og i fremtidige nye fysikscenarier helst koblet til myoner.

"Muoner, der spredes fra kernerne i målet, kunne producere et hypotetisk mørkt boson Z', efterfulgt af dets usynlige henfald til enten et par neutrinoer eller et par mørkstofkandidater, afhængigt af den underliggende model," forklarer den stedfortrædende tekniske koordinator. Laura Molina Bueno. "Signaturen for denne produktion ville mangle energi og momentum i vores detektorer."

For at søge efter dette affyres en 160 GeV tertiær myonstråle afledt af den primære SPS-protonstråle mod et elektromagnetisk kalorimeter, der fungerer som et aktivt mål. Eksperimentalisterne søger derefter efter hændelser, hvor en sluttilstands-muon har et momentum lavere end 80 GeV uden nogen påviselig aktivitet i nedstrøms kalorimetre.

Da der ikke blev observeret nogen hændelse, der matchede disse forhold i den forventede signalregion, var forskerne i stand til at udelukke denne region og konkludere, at for den første model var det eneste mulige massevindue for en mørk boson Z' til at forklare g-2-muon-anomalien er fra 6 MeV op til 40 MeV.

Deres resultater indikerer også, at lyst termisk mørkt stof koblet til standardmodellen via en (Lmu-Ltau) Z' ikke kan være tungere end 40 MeV.

NA64 er blandt de første eksperimenter, der søger efter mørke sektorer, der er svagt koblet til myoner. Eksperimentalisterne er sikre på, at de vil dække det tilgængelige parameterrum i fremtiden ved at bruge højere stråleintensiteter.

"Brug af en myonstråle åbner et nyt vindue til at udforske andre velmotiverede nye fysikscenarier, såsom benchmarkmodeller af mørke foton, skalarportaler, milliladede partikler eller processer, der krænker leptonsmag," konkluderer NA64-medtalsmand Paolo Crivelli.