NA64-experimentet startade sin verksamhet vid CERN:s SPS North Area 2016. Dess syfte är att söka efter okända partiklar från en hypotetisk ”mörk sektor”. För dessa sökningar riktar NA64 en elektronstråle mot ett fast mål. Forskarna letar sedan efter okända partiklar från den mörka sektorn som bildas vid kollisioner mellan strålens elektroner och målets atomkärnor.
Nyligen började NA64-teamet använda en myonstråle från SPS för att söka efter nya partiklar som huvudsakligen interagerar med myoner – tyngre versioner av elektronen – och som samtidigt skulle kunna förklara det långvariga pusslet med myonens avvikande magnetiska moment och problemet med mörk materia (DM). Deras första resultat accepterades i tidskriften Physical Review Letters den 8 april.
I denna artikel sätter NA64-samarbetet nya gränser för det tillgängliga parameterutrymmet – det fönster där forskarna skulle kunna hitta en hypotetisk mörk boson Z’ som endast kopplar till myoner och tauoner för givna värden på dess massa och kopplingsstyrka.
I den så kallade vaniljmodellen kan Z’ bara sönderfalla tillbaka till neutriner och skulle kunna ge en förklaring till myonens avvikande magnetiska moment. Men i utökade modeller kan den också sönderfalla till DM-kandidater. Detta skulle lösa DM-problemet genom att förutsäga den observerade reliktätheten av DM-partiklar som skapades i det tidiga universum.
Med dessa resultat visar NA64-samarbetet på den stora potentialen hos myonstrålar i sökandet efter mörk materia och i framtida scenarier med ny fysik, företrädesvis kopplad till myoner.
”Myoner som sprids från kärnorna i målet skulle kunna producera en hypotetisk mörk boson Z’, följt av dess osynliga sönderfall till antingen ett par neutriner eller ett par kandidater för mörk materia, beroende på den underliggande modellen”, förklarar den biträdande tekniska koordinatorn Laura Molina Bueno. ”Signaturen för denna produktion skulle vara att energi och rörelsemängd saknas i våra detektorer.”
För att söka efter detta avfyras en 160 GeV tertiär myonstråle som härrör från den primära SPS-protonstrålen mot en elektromagnetisk kalorimeter som fungerar som ett aktivt mål. Experimentalisterna söker sedan efter händelser där en myon i sluttillståndet har ett momentum som är lägre än 80 GeV och där det inte finns någon detekterbar aktivitet i de nedströms kalorimetrarna.
Eftersom ingen händelse som matchade dessa villkor observerades i den förväntade signalregionen kunde forskarna utesluta denna region och dra slutsatsen att för den första modellen är det enda möjliga massfönstret för en mörk boson Z’ för att förklara g-2-muonanomalin från 6 MeV upp till 40 MeV.
Resultaten tyder också på att lätt termisk mörk materia som är kopplad till standardmodellen via en (Lmu-Ltau) Z’ inte kan vara tyngre än 40 MeV.
NA64 är ett av de första experimenten som söker efter mörka sektorer som är svagt kopplade till myoner. Experimentledarna är övertygade om att de kommer att täcka in hela det tillgängliga parameterutrymmet i framtiden genom att använda högre strålningsintensiteter.
”Att använda en myonstråle öppnar ett nytt fönster för att utforska andra välmotiverade scenarier för ny fysik, till exempel benchmarkmodeller för mörka fotoner, skalära portaler, millichargade partiklar eller processer som bryter mot leptonsmaken”, avslutar Paolo Crivelli, talesperson för NA64.
Ytterligare information: Yu. M. Andreev et al, First results in the search for Dark Sectors at NA64 with the CERN SPS high energy muon beam, Physical Review Letters. journals.aps.org/prl/accepted/ … 8f384ef13a484c201843.
Yu. M. Andreev et al, Exploration of the Muon $g-2$ and Light Dark Matter explanations in NA64 with the CERN SPS high energy muon beam, arXiv (2024). DOI: 10.48550/arxiv.2401.01708
