中国科大在暗光子寻找中取得重要进展

欧洲核子中心大型强子对撞机LHC上的ATLAS实验组近期于Physical Review Letters杂志上在线发表了关于寻找暗光子（dark photon）这一重要新粒子的论文。该项工作是首次在强子对撞机上利用标准模型Z玻色子的稀有衰变来寻找暗光子，这一新途径有效地扩展了探索暗光子的参数空间，并且获得了国际上最好的灵敏度，受到审稿人、国际同行的广泛认可与报道。

作为超出标准模型理论的典型新粒子，暗光子通过与光子动能项的混合，具有和光子相似的电磁相互作用；与光子不同的是，暗光子本身可以有质量（质量是未知参数）并且与带电粒子的相互作用远远小于光子。暗光子同时是一种有力的暗物质候选粒子，受到理论和实验粒子物理学家的广泛关注。对暗光子的理论和实验进行研究，有助于发现超越粒子物理标准模型的新物理，扩展人类对宇宙起源和演化的认识。

物理学家们一直在尝试用各种实验方法在不同的质量区间来寻找暗光子（A’），包括正负电子对撞机实验（如Belle，BaBar，Belle-II等）、强子对撞机实验（如LHCb，ATLAS，CMS等）以及打靶实验，但至今未观察到任何迹象。这些以往的实验大都只能探索极低质量的暗光子（质量小于5GeV）。中国科大在LHC实验上首次利用暗希格斯轫致辐射过程（dark Higgs-strahlung）ZgA’hD来寻找暗光子（图1），其中暗希格斯粒子继续衰变为两个暗光子（hDgA’A’），并且暗光子最终衰变为两个费米子。这一新过程有助于探索高质量的暗光子（5GeV以上），并且可以同时寻找暗希格斯粒子。该项工作获得了在暗光子质量区间为5GeV-40GeV内国际上最灵敏的实验结果，并且显著拓展了之前正负电子对撞机实验的质量探索范围（图2，图3）。

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图1.利用标准模型Z玻色子的稀有衰变来寻找暗光子A’，其中hD为暗希格斯粒子

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图2.ATLAS实验获得的暗光子联合耦合参数aDe2的90%置信上限

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图3.ATLAS实验获得的暗光子与光子的混合参数e2的90%置信上限

论文主要完成人为我校博士生刘明依、刘啸天和于艺，指导教师包括赵政国院士、吴雨生教授和徐来林特任教授，其中刘明依担任分析组负责人，徐来林与刘明依为合作组文章共同通讯作者。中国科大团队在ATLAS国际合作组内独立完成了该项研究，承担了全部的物理分析工作。中国科大ATLAS实验组是赵政国院士领导下的一支具有相当规模和凝聚力的稳定团队，目前包括11名教授副教授，2名特任副研究员，3名博士后，近30名博士和硕士研究生。科大组成员负责或参与探测器建造、运行维护及性能研究、触发优化、末态重建性能的标定，和广泛的物理研究。在标准模型的精确检验和测量、希格斯粒子的发现和性质研究，以及超出标准模型的新物理的直接寻找的物理研究中，取得了多个以科大组为主导并得到ATLAS国际合作组高度评价的重要物理结果。

论文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.251801