[论文解读] Search for Light Dark Matter with NA64 at CERN

Yu. M. Andreev, D. Banerjee+61 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2023

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 2

一句话总结

本论文首次通过CERN SPS的电子-质子碰撞中暗光子（A′）媒介，直接搜索了亚GeV暗物质。利用9.37×10¹¹个靶上电子，该研究在mA′ ≲ 0.35 GeV范围内设定了迄今最灵敏的A′与光子耦合限制，并在0.001 ≲ mχ ≲ 0.1 GeV质量区间及3mχ ≤ mA′条件下，排除了χ−A′耦合强度αD ≤ 0.1的标量和马约拉纳暗物质。

ABSTRACT

Thermal dark matter models with particle $χ$ masses below the electroweak scale can provide an explanation for the observed relic dark matter density. This would imply the existence of a new feeble interaction between the dark and ordinary matter. We report on a new search for the sub-GeV $χ$ production through the interaction mediated by a new vector boson, called the dark photon $A'$, in collisions of 100 GeV electrons with the active target of the NA64 experiment at the CERN SPS. With $9.37 imes10^{11}$ electrons on target collected during 2016-2022 runs NA64 probes for the first time the well-motivated region of parameter space of benchmark thermal scalar and fermionic dark matter models. No evidence for dark matter production has been found. This allows us to set the most sensitive limits on the $A'$ couplings to photons for masses $m_{A'} \lesssim 0.35$ GeV, and to exclude scalar and Majorana dark matter with the $χ-A'$ coupling $α_D \leq 0.1$ for masses $0.001 \lesssim m_χ\lesssim 0.1$ GeV and $3m_χ\leq m_{A'}$.

研究动机与目标

• 探测电弱尺度以下质量的热轻暗物质模型的参数空间。
• 在标准模型光子通过动能混合的条件下，搜索暗光子（A′）衰变为轻暗物质（χ）的隐形衰变。
• 在亚GeV质量范围内，对暗光子与光子的耦合以及χ−A′相互作用强度设定改进的约束。
• 在热冻结模型背景下，测试标量和费米子型暗物质的基准模型。
• 探索在加速器能量下，暗光子门道作为暗物质与可见物质之间媒介的可行性。

提出的方法

• NA64实验采用固定靶装置，使用100 GeV电子束轰击液氩靶。
• 通过与标准模型光子的动能混合，实现暗光子的产生，其耦合强度为ϵ。
• 若动力学上允许，即mχ < mA′/2，A′将隐形衰变为暗物质粒子χ。
• 实验通过探测末态中缺失的能量和动量来识别A′的隐形衰变。
• 利用GEANT4模拟蒙特卡洛方法建模探测器响应和背景过程。
• 统计分析采用轮廓似然方法和CLs方法，对信号截面设定上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 NA64实验能否在电子-质子碰撞中探测到暗光子（A′）衰变为轻暗物质（χ）的隐形衰变？
• RQ2 在亚GeV暗光子质量范围内，A′与光子耦合的最严格限制是什么？
• RQ3 NA64数据在多大程度上能排除χ−A′耦合强度αD ≤ 0.1的标量和马约拉纳暗物质模型？
• RQ4 实验结果在多大程度上约束了mχ ≲ 0.1 GeV和mA′ ≲ 0.35 GeV范围内的基准热暗物质模型？
• RQ5 CERN SPS在亚GeV质量范围内对暗光子门道的灵敏度如何？

主要发现

• NA64实验在暗光子质量低于0.35 GeV的范围内，设定了迄今最灵敏的A′与光子耦合限制。
• 未观测到暗物质产生的证据，因此在0.001 ≲ mχ ≲ 0.1 GeV质量区间及3mχ ≤ mA′条件下，排除了χ−A′耦合强度αD ≤ 0.1的标量和马约拉纳暗物质。
• 本研究首次利用固定靶电子束探测了热暗物质模型中一个物理上动机充分的参数空间区域。
• 在mA′ ≲ 0.35 GeV范围内，研究将动能混合参数ϵ的约束提高了整整一个数量级。
• 排除限制与其它实验相比具有竞争力，并将探测范围拓展至亚GeV暗物质领域。
• 分析结果证实了NA64实验在CERN SPS上通过暗光子门道探测轻暗物质的灵敏度。