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. Forskare letar sedan efter okända mörka sektorpartiklar som produceras av kollisioner mellan strålens elektroner och målets atomkärnor.
Nyligen började NA64-teamet använda en myonstråle från SPS för att söka efter nya partiklar som interagerar huvudsakligen med myoner – tyngre versioner av elektronen – och som samtidigt kunde förklara det långvariga pusslet med myonens onormala magnetiska ögonblick och mörk materia (DM) problem. Deras första resultat godkändes i tidskriften Physical Review Letters den 8 april.
I detta dokument sätter NA64-samarbetet nya gränser för det tillgängliga parameterutrymmet – fönstret där forskarna kunde hitta en hypotetisk mörk boson Z'-koppling endast till myoner och tauoner för givna värden på dess massa och kopplingsstyrka.
I den så kallade vaniljmodellen kan Z' endast förfalla tillbaka till neutriner och kan ge en förklaring till myonens anomala magnetiska momentpussel. Men i utökade modeller kan det också förfalla till DM-kandidater. Detta skulle lösa DM-problemet genom att förutsäga den observerade reliktätheten av DM-partiklar skapade i det tidiga universum.
Med dessa resultat visar NA64-samarbetet den stora potentialen hos myonstrålar i sökningar av mörk materia och i framtida nya fysikscenarier helst kopplade till myoner.
"Muoner som sprider sig från kärnorna i målet kan producera en hypotetisk mörk boson Z', följt av dess osynliga sönderfall till antingen ett par neutrinos eller ett par mörkmateriakandidater, beroende på den underliggande modellen", förklarar den biträdande tekniska koordinatorn Laura Molina Bueno. "Signaturen för denna produktion skulle sakna energi och momentum i våra detektorer."
För att söka efter detta avfyras en 160 GeV tertiär myonstråle härledd från den primära SPS-protonstrålen mot en elektromagnetisk kalorimeter som fungerar som ett aktivt mål. Experimentalisterna söker sedan efter händelser där en slutlig muon har ett momentum som är lägre än 80 GeV utan någon detekterbar aktivitet i nedströms kalorimetrarna.
Eftersom ingen händelse som matchade dessa förhållanden observerades i den förväntade signalregionen kunde forskarna utesluta denna region och dra slutsatsen att, för den första modellen, det enda möjliga massfönstret för en mörk boson Z' för att förklara g-2-muonanomali är från 6 MeV upp till 40 MeV.
Deras resultat indikerar också att ljus termisk mörk materia kopplad till standardmodellen via en (Lmu-Ltau) Z' inte kan vara tyngre än 40 MeV.
NA64 är bland de första experimenten som söker efter mörka sektorer som är svagt kopplade till myoner. Experimentalisterna är övertygade om att de kommer att täcka det tillgängliga parameterutrymmet i framtiden genom att använda högre strålintensiteter.
"Att använda en myonstråle öppnar ett nytt fönster för att utforska andra välmotiverade nya fysikscenarier, såsom benchmarkmodeller av mörka foton, skalära portaler, milliladdade partiklar eller processer som bryter mot leptonsmak", avslutar NA64 medtalesperson Paolo Crivelli.
