[论文解读] Opportunities for new physics searches with heavy ions at colliders

d'Enterria, David, Marco Drewes+16 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

本文概述了利用对撞机中高能重离子碰撞（特别是LHC）搜索标准模型之外的新物理的创新机遇。通过利用超外围碰撞中增强的电磁场以及强场量子电动力学效应，重离子为探测弱相互作用的粒子（如轴子样粒子、暗光子、磁单极子以及异常的τ轻子磁矩）提供了更高的灵敏度，其发现潜力与质子-质子碰撞相比具有竞争力或互补性。

ABSTRACT

Opportunities for searches for phenomena beyond the Standard Model (BSM) using heavy-ions beams at high energies are outlined. Different BSM searches proposed in the last years in collisions of heavy ions, mostly at the Large Hadron Collider, are summarized. A few concrete selected cases are reviewed including searches for axion-like particles, anomalous $τ$ electromagnetic moments, magnetic monopoles, and dark photons. Expectations for the achievable sensitivities of these searches in the coming years are given. Studies of CP violation in hot and dense QCD matter and connections to ultrahigh-energy cosmic rays physics are also mentioned.

研究动机与目标

• 识别并推广利用重离子碰撞搜索标准模型之外新物理的未充分探索途径。
• 证明重离子束相较于质子-质子碰撞，在产生和探测弱相互作用、长寿命或弱耦合粒子方面具有更高的产率和探测率。
• 倡导将LHC重离子计划延续至2032年以后，包括使用更轻的离子体系，以最大化新物理发现潜力。
• 强调重离子物理、超高能宇宙射线研究与QCD热力学之间的协同作用，以探测基本对称性与新粒子。
• 基于即将发布的LHC数据，提供关键新物理搜索（包括轴子样粒子、暗光子和异常磁矩）的最新灵敏度估计。

提出的方法

• 利用超外围重离子碰撞（UPCs），其中相对论性离子强电磁场中的光子通过γγ过程相互作用，使截面增强至p-p或e⁺e⁻碰撞的Z⁴ ≈ 50×10⁶倍。
• 应用Schwinger机制在强经典电磁场中产生粒子，使电子-正电子对（可能还有其他粒子）在高Z离子束中生成。
• 分析重离子碰撞通过高能、高通量光子相互作用探测τ轻子异常电磁磁矩的潜力。
• 回顾LHC上MoEDAL探测器的实验约束，该探测器目前对磁单极子产生和通量设定了最强的实验限制。
• 评估在离子碰撞环境中，通过光子耦合及其衰变为可探测末态，探测暗光子和轴子样粒子的可行性。
• 考虑高能重离子碰撞在探测极高能量（高达∼0.5 PeV）下顶夸克产生中的作用，这对对撞机和超高能宇宙射线物理均具相关性。

实验结果

研究问题

• RQ1 与质子-质子碰撞相比，LHC中重离子碰撞如何增强对轴子样粒子的发现潜力？
• RQ2 在超外围重离子碰撞的γγ碰撞中，探测暗光子和长寿命粒子的灵敏度增益是多少？
• RQ3 重离子束中的强场量子电动力学效应是否能实现Schwinger对产生或其他非微扰QED现象的观测？
• RQ4 利用相对论性离子产生的高通量光子束，可对τ轻子的异常磁矩施加何种约束？
• RQ5 LHC及未来对撞机中的重离子碰撞在探测QCD中的CP破坏和强相互作用中的新物理方面，如何与质子-质子碰撞互补或超越？

主要发现

• Pb-Pb超外围碰撞中的γγ截面相比p-p或e⁺e⁻碰撞增强了Z⁴ ≈ 50×10⁶倍，使其成为探测新轻子、弱耦合粒子的独特强大探针。
• LHC上的MoEDAL实验已对磁单极子产生设定了迄今最强的实验限制，灵敏度可达10⁻⁷ cm⁻²s⁻¹sr⁻¹的通量。
• 通过γγ碰撞中光子的隐形衰变探测暗光子，预期灵敏度将与或优于质子-质子碰撞，得益于更高的有效亮度。
• 通过强电磁场中光子再生探测轴子样粒子，其耦合强度灵敏度有望低于10⁻⁹ GeV⁻¹。
• 在∼0.5 PeV质心系能量下，p-Air碰撞中顶夸克对产生截面估计约为∼1 μb，表明在极端能量区域探测顶夸克性质具有独特机遇。
• 重离子碰撞为研究QCD中的CP破坏提供了互补且潜在更灵敏的通道，尤其在强CP问题及其与超高能宇宙射线现象关联的背景下。