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遠小于光子。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,，擴展人類對宇宙起源和演化的認識。
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
論文主要完成人為我校博士生劉明依,、劉嘯天和于藝,，指導(dǎo)教師包括趙政國院士、吳雨生教授和徐來林特任教授,，其中劉明依擔(dān)任分析組負責(zé)人,，徐來林與劉明依為合作組文章共同通訊作者,。中國科大團隊在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,。中國科大ATLAS實驗組是趙政國院士領(lǐng)導(dǎo)下的一支具有相當(dāng)規(guī)模和凝聚力的穩(wěn)定團隊,，目前包括11名教授副教授，2名特任副研究員,，3名博士后,，近30名博士和碩士研究生?？拼蠼M成員負責(zé)或參與探測器建造,、運行維護及性能研究、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,。
論文鏈接：
Search for Dark Photons in Rare Z Boson Decays with the ATLAS Detector,Phys. Rev. Lett. 131, 251801,https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.251801
（近代物理系,、科研部）
