Китайская установка HIAF позволит исследовать тёмные фотоны через распады η-мезонов

Физики из Китая представили модель эксперимента для поиска тёмных фотонов — гипотетических частиц, которые могут связывать видимую материю с т.н. тёмным сектором. В основе проекта лежит использование будущего ускорительного комплекса HIAF (High Intensity heavy ion Accelerator Facility), строящегося Китайской академией наук в Хуэйчжоу для фундаментальных исследований в области ядерной физики и астрофизики.

Предложенный эксперимент сосредоточен на изучении редких распадов η-мезона, короткоживущей частицы, возникающей в протонных столкновениях. Согласно одной из теоретических моделей, η-мезон может распадаться на обычный фотон и тёмный фотон. Тёмный фотон, в свою очередь, способен распадаться на электрон и позитрон. Такой процесс нельзя зарегистрировать напрямую, но конечные продукты — электронно-позитронные пары — могут быть зафиксированы с помощью специально сконструированного детектора.

Согласно расчётам, за месяц работы установка HIAF позволит получить порядка 6×10¹¹ η-мезонов. Для регистрации продуктов предполагается использовать компактный спектрометр, оснащённый кремниевыми трекерами и калориметром для измерения энергии частиц. В ходе моделирования авторы показали, что система сможет регистрировать крайне редкие события — с вероятностью до одного на десять миллионов распадов.

Особое внимание уделено выбору конструкции калориметра. Сравнительные тесты показали, что многослойный калориметр с чередованием слоёв свинцового стекла и пластика на 43% эффективнее в определении массы электронно-позитронной пары по сравнению с однородным вариантом. Это критически важно для отделения потенциального сигнала от фоновых событий.

Реализация проекта позволит HIAF исследовать диапазон масс тёмного фотона, который слабо охвачен существующими экспериментами. По чувствительности предлагаемая установка будет сопоставима с известными проектами, такими как NA48/2, KLOE и LHCb, но ориентирована на поиск более лёгких частиц при меньших энергиях.

Проект демонстрирует, что даже сравнительно компактные ускорительные эксперименты способны существенно продвинуть исследования в области физики за пределами Стандартной модели и расширить поиски частиц, которые могут объяснить природу тёмного вещества.