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子對撞機LHC上的ATLAS實驗組近期于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。該項工作是首次在強子對撞機上利用標(biāo)準(zhǔn)模型Z玻色子的稀有衰變來尋找暗光子，這一新途徑有效地擴(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，受到理論和實驗粒子物理學(xué)家的廣泛關(guān)注。對暗光子的理論和實驗進(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驗方法在不同的質(zhì)量區(qū)間來尋找暗光子（A’），包括正負(fù)電子對撞機實驗（如Belle，BaBar，Belle-II等）、強子對撞機實驗（如LHCb，ATLAS，CMS等）以及打靶實驗，但至今未觀察到任何跡象。這些以往的實驗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實驗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)國際上最靈敏的實驗結(jié)果，并且顯著拓展了之前正負(fù)電子對撞機實驗的質(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實驗獲得的暗光子聯(lián)合耦合參數(shù)aDe2的90%置信上限

圖3：ATLAS實驗獲得的暗光子與光子的混合參數(shù)e2的90%置信上限

中國科大團(tuán)隊在ATLAS國際合作組內(nèi)獨立完成了該項研究，承擔(dān)了全部的物理分析工作?？拼蠼M成員負(fù)責(zé)或參與探測器建造、運行維護(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。