轴子和类轴子与标准模型强CP问题息息相关，并且也是最受关注的暗物质粒子候选者之一。其中类轴子被不同的紫外完整模型预言，并且理论上可以和标准模型所有粒子耦合。另一方面，重中性轻子（或称为惰性中微子）在不同的跷跷板机制模型中被预言，用于解释活性中微子质量不为零的问题。这些重中性轻子可以通过与活性中微子的混合参与到标准模型相互作用中，与不同的标准模型粒子耦合。除了解释活性中微子质量外，重中性轻子也可以是暗物质粒子候选者，或者可以用来解释正反物质不对称等问题。这两种新物理基本粒子更是可以相互耦合，引起类轴子衰变到一对重中性轻子的过程。

近日，我院高能物理唯象学团队王泽人副研究员和张宇副教授，与南京理工大学刘威副教授合作，评估了多个现有和未来粒子物理实验关于可以与类轴子耦合的重中性轻子探测的灵敏度。特别地，作者重点研究了与标准模型夸克非对角耦合的类轴子。它们通过介子衰变产生，紧接着衰变为一对长寿命的重中性轻子（图1左）。除此之外，取决于类轴子和重中性轻子的耦合强度，类轴子既可以是瞬时衰变的，也可以是长寿命的。图1右展示了类轴子衰变长度与耦合强度、类轴子质量以及重中性轻子质量的相互关系。

图1. 左：介子衰变产生类轴子，类轴子进而衰变至一对长寿命重中性轻子的过程。右：类轴子衰变长度

具体来说，作者考虑了两类实验，分别是LHC远端探测器实验和Belle II实验。前者包括了ANUBIS，CODEX-b，FACET，FASER(2)，MoEDAL-MAPP1(2)，MATHUSLA和SHiP，其中MAPP1和SHiP已经批准建造，而FASER实验已经在运行之中。对于这些LHC远端探测器实验，可以乐观地认为没有本底事例，因此预计信号事例数为3时对应的参数便是95%置信水平下的排除界限。而对于Belle II实验，作者详细分析和讨论了本底事例，对末态信号特征进行了筛选，得到了类似的排除界限。相关实验均依赖于对长寿命重中性轻子的位移顶点进行重建。

图2展示了这些研究的部分数值结果。左上和右上图中，作者限制类轴子质量分别为1.5 GeV和4.0 GeV，考虑瞬时衰变的类轴子，分别产生自D介子和B介子的衰变，在（重中性轻子质量，中微子混合强度平方）平面内展示了LHC远端探测器的灵敏度；而在左下图中，作者考虑类轴子质量为1.5 GeV，产生自D介子衰变，然而这里的类轴子是长寿命的。这些结果表明，在所考虑的这些理论情形中，对于重中性轻子质量在100 MeV到2 GeV之间，这些实验在参数空间中的敏感区域超过中微子混合强度平方的现有限制最高可达约10个数量级。基于Belle II实验的研究结果展示在了右下图中，预计对于50 ab^-1的积分亮度和质量超过4 GeV的类轴子，Belle II可以对质量超过2 GeV左右的重中性轻子，探测中微子混合强度平方值超过现有限制大约一到两个数量级。这些结果大力支持了相关实验的运行，为未来相关的实验提供了强有力的理论支撑。随着未来相关实验搜索的开展，对于类轴子-重中性轻子模型的实验限制将得到进一步大幅度地提升。

图2. 若干灵敏度结果图。左上、右上和左下图为LHC远端探测器实验排除界限结果，右下图为Belle II实验排除界限结果。 左上：D介子衰变产生类轴子，类轴子瞬时衰变到长寿命重中性轻子。右上：B介子衰变产生类轴子，类轴子瞬时衰变到长寿命重中性轻子。左下：D介子衰变产生类轴子，类轴子是长寿命的，位移衰变到长寿命重中性轻子。右下：B介子衰变产生类轴子，类轴子瞬时衰变到长寿命重中性轻子。

相关成果分别以“Searching for heavy neutral leptons coupled to axion-like particles at the LHC far detectors and SHiP”和“Long-lived sterile neutrinos from an axionlike particle at Belle II”为题发表在《Journal of High Energy Physics》和《Physical Review D》上。在这两项工作中，我院王泽人副研究员为第一作者，张宇副教授和南京理工大学刘威副教授为论文共同通讯作者。研究工作得到了国家自然科学基金、合肥工业大学中央高校基本科研业务费、合肥工业大学人才引进条件建设经费等资助。

图、文/王泽人  审核/高伟清

文章链接：

https://link.springer.com/article/10.1007/JHEP01(2025)070

https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.111.035010