歐洲核子中心大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC上的ATLAS實(shí)驗(yàn)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(xiàng)工作是首次在強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上利用標(biāo)準(zhǔn)模型Z玻色子的稀有衰變來(lái)尋找暗光子，這一新途徑有效地?cái)U(kuò)展了探索暗光子的參數(shù)空間，并且獲得了國(guó)際上最好的靈敏度，受到審稿人、國(guó)際同行的廣泛認(rèn)可與報(bào)道。

作為超出標(biāo)準(zhǔn)模型理論的典型新粒子，暗光子通過(guò)與光子動(dòng)能項(xiàng)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(yuǎn)遠(yuǎn)小于光子。暗光子同時(shí)是一種有力的暗物質(zhì)候選粒子，受到理論和實(shí)驗(yàn)粒子物理學(xué)家的廣泛關(guān)注。對(duì)暗光子的理論和實(shí)驗(yàn)進(jìn)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(kuò)展人類(lèi)對(duì)宇宙起源和演化的認(rèn)識(shí)。

物理學(xué)家們一直在嘗試用各種實(shí)驗(yàn)方法在不同的質(zhì)量區(qū)間來(lái)尋找暗光子（A’），包括正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)（如Belle，BaBar，Belle-II等）、強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)（如LHCb，ATLAS，CMS等）以及打靶實(shí)驗(yàn)，但至今未觀察到任何跡象。這些以往的實(shí)驗(yàn)大都只能探索極低質(zhì)量的暗光子（質(zhì)量小于5GeV）。中國(guó)科大在LHC實(shí)驗(yàn)上首次利用暗希格斯軔致輻射過(guò)程（dark Higgs-strahlung）ZgA’hD來(lái)尋找暗光子（圖1），其中暗希格斯粒子繼續(xù)衰變?yōu)閮蓚�(gè)暗光子（hDgA’A’），并且暗光子最終衰變?yōu)閮蓚�(gè)費(fèi)米子。這一新過(guò)程有助于探索高質(zhì)量的暗光子（5GeV以上），并且可以同時(shí)尋找暗希格斯粒子。該項(xiàng)工作獲得了在暗光子質(zhì)量區(qū)間為5GeV-40GeV內(nèi)國(guó)際上最靈敏的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并且顯著拓展了之前正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量探索范圍（圖2，圖3）。

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圖1.利用標(biāo)準(zhǔn)模型Z玻色子的稀有衰變來(lái)尋找暗光子A’，其中hD為暗希格斯粒子

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圖2.ATLAS實(shí)驗(yàn)獲得的暗光子聯(lián)合耦合參數(shù)aDe2的90%置信上限

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圖3.ATLAS實(shí)驗(yàn)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(guó)院士、吳雨生教授和徐來(lái)林特任教授，其中劉明依擔(dān)任分析組負(fù)責(zé)人，徐來(lái)林與劉明依為合作組文章共同通訊作者。中國(guó)科大團(tuán)隊(duì)在ATLAS國(guó)際合作組內(nèi)獨(dú)立完成了該項(xiàng)研究，承擔(dān)了全部的物理分析工作。中國(guó)科大ATLAS實(shí)驗(yàn)組是趙政國(guó)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(tuán)隊(duì)，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。科大組成員負(fù)責(zé)或參與探測(cè)器建造、運(yùn)行維護(hù)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(yàn)和測(cè)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(gè)以科大組為主導(dǎo)并得到ATLAS國(guó)際合作組高度評(píng)價(jià)的重要物理結(jié)果。

論文鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.251801