中國科大在暗光子尋找中取得重要進(jìn)展歐洲核子中心大型強(qiáng)子對撞機(jī)LHC上的ATLAS實(shí)驗(yàn)組近期于Physical Review Letters雜志上在線發(fā)表了關(guān)于尋找暗光子(dark photon)這一重要新粒子的論文。該項(xiàng)工作是首次在強(qiáng)子對撞機(jī)上利用標(biāo)準(zhǔn)模型Z玻色子的稀有衰變來尋找暗光子,這一新途徑有效地?cái)U(kuò)展了探索暗光子的參數(shù)空間,并且獲得了國際上最好的靈敏度,受到審稿人、國際同行的廣泛認(rèn)可與報道。
作為超出標(biāo)準(zhǔn)模型理論的典型新粒子,暗光子通過與光子動能項(xiàng)的混合,具有和光子相似的電磁相互作用;與光子不同的是,暗光子本身可以有質(zhì)量(質(zhì)量是未知參數(shù))并且與帶電粒子的相互作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光子。暗光子同時是一種有力的暗物質(zhì)候選粒子,受到理論和實(shí)驗(yàn)粒子物理學(xué)家的廣泛關(guān)注。對暗光子的理論和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究,有助于發(fā)現(xiàn)超越粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理,擴(kuò)展人類對宇宙起源和演化的認(rèn)識。
物理學(xué)家們一直在嘗試用各種實(shí)驗(yàn)方法在不同的質(zhì)量區(qū)間來尋找暗光子(A’),包括正負(fù)電子對撞機(jī)實(shí)驗(yàn)(如Belle,BaBar,Belle-II等)、強(qiáng)子對撞機(jī)實(shí)驗(yàn)(如LHCb,ATLAS,CMS等)以及打靶實(shí)驗(yàn),但至今未觀察到任何跡象。這些以往的實(shí)驗(yàn)大都只能探索極低質(zhì)量的暗光子(質(zhì)量小于5GeV)。中國科大在LHC實(shí)驗(yàn)上首次利用暗希格斯軔致輻射過程(dark Higgs-strahlung)ZgA’hD來尋找暗光子(圖1),其中暗希格斯粒子繼續(xù)衰變?yōu)閮蓚暗光子(hDgA’A’),并且暗光子最終衰變?yōu)閮蓚費(fèi)米子。這一新過程有助于探索高質(zhì)量的暗光子(5GeV以上),并且可以同時尋找暗希格斯粒子。該項(xiàng)工作獲得了在暗光子質(zhì)量區(qū)間為5GeV-40GeV內(nèi)國際上最靈敏的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,并且顯著拓展了之前正負(fù)電子對撞機(jī)實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量探索范圍(圖2,圖3)。 圖1.利用標(biāo)準(zhǔn)模型Z玻色子的稀有衰變來尋找暗光子A’,其中hD為暗希格斯粒子 圖2.ATLAS實(shí)驗(yàn)獲得的暗光子聯(lián)合耦合參數(shù)aDe2的90%置信上限 圖3.ATLAS實(shí)驗(yàn)獲得的暗光子與光子的混合參數(shù)e2的90%置信上限 論文主要完成人為我校博士生劉明依、劉嘯天和于藝,指導(dǎo)教師包括趙政國院士、吳雨生教授和徐來林特任教授,其中劉明依擔(dān)任分析組負(fù)責(zé)人,徐來林與劉明依為合作組文章共同通訊作者。中國科大團(tuán)隊(duì)在ATLAS國際合作組內(nèi)獨(dú)立完成了該項(xiàng)研究,承擔(dān)了全部的物理分析工作。中國科大ATLAS實(shí)驗(yàn)組是趙政國院士領(lǐng)導(dǎo)下的一支具有相當(dāng)規(guī)模和凝聚力的穩(wěn)定團(tuán)隊(duì),目前包括11名教授副教授,2名特任副研究員,3名博士后,近30名博士和碩士研究生?拼蠼M成員負(fù)責(zé)或參與探測器建造、運(yùn)行維護(hù)及性能研究、觸發(fā)優(yōu)化、末態(tài)重建性能的標(biāo)定,和廣泛的物理研究。在標(biāo)準(zhǔn)模型的精確檢驗(yàn)和測量、希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)和性質(zhì)研究,以及超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理的直接尋找的物理研究中,取得了多個以科大組為主導(dǎo)并得到ATLAS國際合作組高度評價的重要物理結(jié)果。
論文鏈接:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.251801 關(guān)鍵詞: 暗光子
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