[论文解读] Search for Leptonic Decays of Dark Photons at NA62

The NA Collaboration|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 2023

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

本文利用CERN NA62实验在束流打靶模式下对1.4×10¹⁷个质子靶进行搜索，寻找暗光子衰变为电子-正电子对的信号。未观测到信号，因此在90%置信水平下排除了暗光子质量（50–600 MeV/c²）与动能混合参数（10⁻⁶–4×10⁻⁵）的某一区域，改进了先前的限制，并扩展了对B介子衰变中轴子样粒子的约束。

ABSTRACT

The NA62 experiment at CERN, configured in beam-dump mode, has searched for dark photon decays in flight to electron-positron pairs using a sample of $1.4 imes 10^{17}$ protons on dump collected in 2021. No evidence for a dark photon signal is observed. The combined result for dark photon searches in lepton-antilepton final states is presented and a region of the parameter space is excluded at 90% CL, improving on previous experimental limits for dark photon mass values between 50 and 600 MeV$/c^2$ and coupling values in the range $10^{-6}$ to $4 imes10^{-5}$. An interpretation of the $e^+ e^-$ search result in terms of the emission and decay of an axion-like particle is also presented.

研究动机与目标

• 通过在束流打靶模式下使用高强度质子束，搜索暗光子的轻子衰变至e⁺e⁻末态。
• 改进在50–600 MeV/c²范围内的动能混合参数ε与暗光子质量M_A′的实验约束。
• 将本研究结果与先前NA62对μ⁺μ⁻末态的搜索结果结合，以加强排除限。
• 将e⁺e⁻末态的搜索结果解释为B介子衰变中轴子样粒子（ALP）产生的约束，扩展对ALP耦合常数与寿命的限制。

提出的方法

• NA62实验在束流打靶模式下运行，使用长3.2 m的吸收体（TAX）停止质子，产生次级粒子，包括潜在的暗光子。
• 利用STRAW磁谱仪重建带电轨迹，要求动量p > 10 GeV/c，并满足与CHOD和ANTI0多道计数器的时间与空间匹配。
• 通过MUV3μ子探测器、LKr电磁量能器的沉积能量以及E/p比值，实现粒子识别，以区分电子、μ子与π介子。
• 通过轨迹的向后外推重建二重迹顶点，要求顶点位于受限的测量区域内，以抑制次级相互作用。
• 通过e⁺e⁻对的不变质量重建定义信号区域，背景估计基于控制区域与蒙特卡罗模拟。
• 采用似然函数乘积法，将本研究与先前NA62对A′→μ⁺μ⁻衰变的搜索结果进行联合统计分析，以获得联合排除限。

Figure 1: Schematic side view of the NA62 setup in 2021. Information from KTAG, GTK, CHANTI, MUV1,2, IRC, and SAC is not used in this analysis. Not all beam elements are shown.

实验结果

研究问题

• RQ1 NA62实验在束流打靶模式下对暗光子衰变为e⁺e⁻末态的探测灵敏度如何？
• RQ2 在50–600 MeV/c²质量范围内，新获得的动能混合参数ε的限制与以往实验相比如何？
• RQ3 e⁺e⁻末态的搜索结果能否被解释为对B介子衰变中轴子样粒子（ALP）产生的约束？
• RQ4 A′→e⁺e⁻与A′→μ⁺μ⁻结果的联合分析在多大程度上改善了对暗光子参数的排除限？
• RQ5 在ALP耦合常数的背景下，NA62的限制与CHARM和FASER等其他实验相比如何？

主要发现

• 在1.4×10¹⁷个质子靶的数据样本中，未观测到暗光子衰变为e⁺e⁻的证据。
• 在90%置信水平下，于(M_A′, ε)平面上建立了新的排除区域，覆盖了50至600 MeV/c²的暗光子质量范围与10⁻⁶至4×10⁻⁵的耦合强度范围。
• 与先前NA62对A′→μ⁺μ⁻衰变的搜索结果联合分析后，显著改进了相同质量与耦合范围内的实验限制。
• e⁺e⁻末态的搜索结果扩展了对B→K(*)a和a→e⁺e⁻衰变中轴子样粒子（ALPs）的约束，排除了ALP质量为10至800 MeV/c²范围内的(τ_a, BR(B→K(*)a)×BR(a→e⁺e⁻))参数平面区域。
• 在10–800 MeV/c²质量范围内，NA62的限制优于CHARM实验，尤其对长寿命ALP更为显著。
• 结果与暗物质热退耦密度约束一致，支持暗光子质量在1至1000 MeV/c²之间、ε在10⁻⁶至10⁻³范围内的可能性。

Figure 2: Distribution of two-track vertex positions in the plane ( $Z_{\mathrm{vtx}}$ , $\rho_{\mathrm{vtx}}$ ) for data events, without particle identification requirements. The black contour defines the restricted FV.