[论文解读] Searches for very weakly-coupled particles beyond the Standard Model with NA62

Babette Döbrich|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

NA62在CERN利用其高亮度的SPS质子束和全包容式探测器系统，搜索标准模型之外的极弱耦合粒子。通过利用奇异强子衰变和专用的束流打靶模式，该实验探测了MeV–GeV能标范围内的粒子，如暗光子、轴子样粒子和重中性轻子，其灵敏度超越了此前的CHARM和NuCal实验。

ABSTRACT

The NA62 experiment at CERN is designed to measure precisely the rare decay $K^{+} ightarrow π^+ ν\barν$. The intensity and energy of the SPS proton beam used to produce the $K^+$, as well as the hermetic detector coverage and overall geometry, give in addition the opportunity to search for hypothesized weakly-coupled particles at the MeV-GeV mass scale. In these proceedings the focus lies on reviewing these opportunities and sketching the current status of some pertinent searches.

研究动机与目标

• 搜索标准模型之外的极弱耦合粒子，包括暗光子、轴子样粒子和重中性轻子，能量范围为MeV–GeV。
• 通过利用NA62束流线几何结构和高质子束流打靶（POT）速率，拓展对长寿命、弱相互作用粒子的探测能力。
• 同时利用正常运行和束流打靶数据获取模式，以覆盖新粒子的多样化产生机制。
• 验证背景抑制技术，并利用2016–2017年的数据进行首次分析，为未来高统计量运行提供指导。
• 支持计划中的为期1年的束流打靶运行（2021–2023年），目标达到约10^18 POT，以最大化探测新物理的灵敏度。

提出的方法

• 利用NA62束流线，400 GeV质子在铍靶中产生奇异强子和π介子，通过TAX色散系统选择75 GeV的正电荷强子束流。
• 采用长达136 m的衰变空间，具备全包容覆盖和低材料预算的追踪系统，用于探测弱耦合粒子的衰变产物。
• 为多迹迹事件（包括至少一个或两个μ子）设计专用触发链路，以捕获（伪）标量粒子和暗光子的衰变。
• 通过错位准直器实现寄生式束流打靶操作，使整个质子束被停止，从而在上游最大化新粒子的产生。
• 使用液态氙和液态氪量能器探测来自隐形或半隐形衰变的电磁信号。
• 通过粒子识别、时间测量和几何重建技术进行背景抑制，以区分新物理信号与束流晕和强子衰变。

实验结果

研究问题

• RQ1 NA62能否探测到通过$K^+ \to \pi^+ \gamma A'$衰变产生的暗光子，其中$A' \to \gamma\gamma$或隐形衰变？
• RQ2 NA62对$K^+ \to l^+ N$衰变中重中性轻子（N）的探测灵敏度如何，其中$l = e, \mu$？
• RQ3 束流打靶模式如何提升对质子相互作用中产生的长寿命轴子样粒子的探测灵敏度？
• RQ4 束流打靶模式下多迹最终态的预期本底是什么？如何有效抑制？
• RQ5 NA62装置在多大程度上能够探测超越CHARM等先前实验探测范围的弱耦合粒子参数空间？

主要发现

• NA62在2017年已收集约3×10^12次奇异强子衰变，2016年数据的5%已初步分析并发布。
• 实验已建立针对多μ子和高能电磁事件的专用触发链路，以捕获暗光子和重中性轻子的衰变。
• 束流打靶运行已达到约10^16质子束流打靶（POT）统计量，使对弱耦合粒子的探测灵敏度具有竞争力。
• NA62装置（D ≈ 80 m，L ≈ 136 m）对短寿命和长寿命粒子均提供独特覆盖，其探测能力超越了CHARM和NuCal的先前极限。
• 初步结果已报告$K^+ \to l^+ N$和$K^+ \to \pi^+ \pi^0 \to \pi^+ \gamma A'$中$A'$隐形衰变的探测，表明首次对这些通道具备灵敏度，见文献[4]。
• 计划于2021–2023年进行为期约1年的扩展束流打靶运行，目标收集约10^18 POT，显著提升对新物理的发现潜力。