利用NA64和POKER在CERN SPS探测暗物质领域

这篇文档主要介绍了NA64实验及其在探索暗物质（Dark Matter, DM）和暗光子（Dark Photon, 𝐴′）方面的研究进展。NA64实验是一个在CERN的SPS（超级质子同步加速器）上进行的电子束固定靶实验，旨在通过100 GeV电子束撞击厚电磁量热器来产生DM粒子。以下是文档的主要内容和结构：

1. 背景与动机

**标准模型（Standard Model, SM）**是现代物理学的一个重要理论框架，但它无法解释一些宇宙学和天体物理学的观测现象，如暗物质的存在、宇宙中的重子不对称性以及中微子质量的起源。暗物质被认为是宇宙质量的主要组成部分，但其基本性质仍然未知。近年来，**轻暗物质（Light Dark Matter, LDM）**模型因其理论上的合理性和未被充分探索而受到关注。在这一模型中，DM由“暗区”粒子组成，这些粒子通过一种新的力与SM相互作用，该力由一种新的矢量玻色子（即暗光子）介导。

2. 理论模型

文档中描述的理论模型假设DM粒子在1 MeV到1 GeV的质量范围内，并带有新的U(1)对称性。**暗光子（𝐴′）**是这种新相互作用的介质，与SM光子发生动量混合。拉格朗日密度的表达式为：
[ L \supset -\frac{1}{4} F’{\mu\nu} F’^{\mu\nu} + \frac{1}{2} m^2{A’} A’{\mu} A’^{\mu} ]
其中，( F’{\mu\nu} )是暗光子的场强，( m_{A’} )是暗光子的质量。

3. NA64实验

NA64实验利用100 GeV的电子束撞击厚电磁量热器（ECAL），产生电磁簇射，可能会产生暗光子。由于暗区-暗物质相互作用的微弱性，产生的LDM粒子可能会离开探测器区域而不沉积能量。因此，LDM的产生特征是大能量缺失，即束流能量与ECAL中沉积能量的差异。实验中主要的背景噪声包括束流中的强子污染物和从探测器逃逸的高能粒子。

4. 实验结果与限制

自2016年以来，NA64实验已收集了约1.5×10¹²个电子靶（EOT）。通过优化实验灵敏度并采用盲分析方法，实验在信号区域未观察到事件，从而在大部分矢量介导的LDM场景中设定了最严格的限制。此外，NA64还探索了暗光子衰变为电子/正电子对的可见衰变场景，这一场景可能解释所谓的X17或铍异常。

5. 未来展望与POKER项目

文档还介绍了POKER项目，该项目旨在利用CERN SPS提供的正电子束进行缺失能量测量，以探索矢量介导的LDM场景。正电子-电子共振湮灭是探索LDM的有效机制，具有较大的截面，并且产生的LDM对的能量由暗光子的质量决定。POKER项目计划建造一个新的电磁量热器，以提高能量分辨率，从而更好地利用共振湮灭的布赖特-维格纳特征。

6. 结论

NA64实验在探索暗物质和暗光子方面取得了显著进展，通过设定严格的排除限制，验证了多个超出标准模型的理论场景。未来的实验计划和POKER项目将进一步提高对这些新物理现象的探测能力。

文档通过详细描述实验方法、结果和未来计划，为理解暗物质与标准模型之间的潜在联系提供了重要的实验依据。