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暗光子:开启暗物质世界的一枚钥匙?

常驻编辑 科普中国 2022-08-29 暗物质   光子   费米   世界   相互作用   粒子   模型   钥匙   物质   质量   标准
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(b)固定靶实验:这一类实验是通过高能电子或质子打击固定靶材料来产生暗光子,主要过程也可以包括轫致辐射、介子衰变和Drell-Yan过程。实验示意图如图4所示。暗光子产生之后不会立刻衰变。在移动一段距离后,它衰变为一对带电粒子从而在探测器上留下信号。所以一般的固定靶实验探测的都是长寿命的基本粒子,适用于暗光子的相互作用强度很小的情况。图3中的E141,NA64,E137,SLAC和E774实验使用的是电子束流,而CHARM实验使用的是质子束流。Us3拜客生活常识网


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图4:固定靶实验示意图Us3拜客生活常识网


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除开暗光子的可见衰变,它也可以通过暗物质世界相互作用流J'μ衰变,因而是不可见的。对撞机实验可以通过探测末态的丢失能动量来限制暗光子的耦合系数。我国的北京正负电子谱仪可以通过正负电子湮灭过程Us3拜客生活常识网

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来探测A'。由于A'不可见,实验信号表现为一个单能的光子,有明显的能动量丢失。对于此类信号,人们通常假设其不可见分支比为100%,来对信号进行限制,实验限制结果见图5。Us3拜客生活常识网


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图5:全部衰变到不可见物质的暗光子实验限制[13]Us3拜客生活常识网


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图6:低质量暗光子实验探测现状[14]Us3拜客生活常识网


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5.2 暗光子质量小于2倍电子质量Us3拜客生活常识网


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当暗光子质量小于2倍电子质量,它将不再衰变到标准模型费米子,而是衰变到三个光子,并且寿命相对较长。另外,由于其极低的质量,需要通过其它的非加速器实验来寻找该类暗光子。主要的实验探测方式有以下几种:Us3拜客生活常识网


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图7:激光穿墙实验示意图。Us3拜客生活常识网


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(1)激光穿墙实验,也称为光子再生实验(Light Shining through Wall, 图6中标记为LSW)。由于光子和暗光子之间有振荡,所以光子在传播过程中有一定的几率转换为暗光子。实验从左边提供强激光,由一道墙体去除原来的光子之后,只有振荡成为暗光子才可以穿过墙体,并且再次转换为光子。最后,实验上就可以通过光子探测探测器来限制光子和暗光子的耦合系数ϵ。Us3拜客生活常识网


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