近日，我院粒子物理与原子核物理实验室，在长寿命暗光子的唯象学研究中取得新进展，研究了环形正负电子对撞机（CEPC）和未来环形正负电子对撞机（FCC-ee）相应的探测能力。相关研究成果以“Searching for dark photons from dark-scalar decays at CEPC and FCC-ee”为题发表在粒子物理主流期刊《Physical Review D》上。

暗物质的本质是现代宇宙学和粒子物理一大未解之谜。理论物理学界提出过多种暗物质候选者粒子，包括大质量弱相互作用粒子和类轴子等。近年来，一系列所谓“门户物理”的模型得到了广泛的关注。例如，暗光子和暗标量子可以作为连接可见世界和暗物质世界的门户和桥梁。

本研究考虑了一个同时包含暗光子和暗标量子的唯象学模型。通过动力学混合，暗光子与标准模型带电粒子耦合。类似地，暗标量子会在电弱破缺后与标准模型希格斯玻色子混合，进而与标准模型粒子耦合。此外，在我们的模型中，还考虑暗标量子与一对暗光子形成耦合。

考虑CEPC和FCC-ee对撞机质心能量为240 GeV的运行模式，我们提出了一个新的信号通道，通过与希格斯玻色子的混合，暗标量子可以在类似希格斯辐射（Higgsstrahlung）的过程中直接产生。其进而瞬时衰变至一对暗光子。

作者提议了两个针对长寿命暗光子的搜寻策略，分别要求在CEPC或FCC-ee的径迹探测器中重建一个和两个位移顶点。通过结合蒙卡模拟和理论解析计算，作者在零本底的乐观假设前提下，获得了相应的95%置信度下的排除界限。数值结果展示在了图1中。该工作的结果显示，取决于暗标量子和暗光子的质量，CEPC和FCC-ee可以探测的暗光子动力学混合角数值小于现有实验限制可达约1至5个数量级。

图1. CEPC和FCC-ee对由暗标量粒子瞬时衰变得到的长寿命暗光子的灵敏度。

该工作发表于Phys.Rev.D113, 015013，论文按照高能物理国际惯例，作者按姓氏字母排序。合肥工业大学物理学院王泽人副研究员为论文通讯作者。

该系列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费等项目的资助。

图、文/王泽人 审核/高伟清

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[1]https://doi.org/10.1103/xs4d-jfrs