歐洲核子中心大型強子對撞機LHC上的ATLAS實驗組近期于Physical Review Letters雜志上在線發表了關于尋找暗光子（dark photon）這一重要新粒子的論文。該項工作是首次在強子對撞機上利用標準模型Z玻色子的稀有衰變來尋找暗光子，這一新途徑有效地擴展了探索暗光子的參數空間，并且獲得了國際上最好的靈敏度，受到審稿人、國際同行的廣泛認可與報道。

作為超出標準模型理論的典型新粒子，暗光子通過與光子動能項的混合，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量（質量是未知參數）并且與帶電粒子的相互作用遠遠小于光子。暗光子同時是一種有力的暗物質候選粒子，受到理論和實驗粒子物理學家的廣泛關注。對暗光子的理論和實驗進行研究，有助于發現超越粒子物理標準模型的新物理，擴展人類對宇宙起源和演化的認識。

物理學家們一直在嘗試用各種實驗方法在不同的質量區間來尋找暗光子（A’），包括正負電子對撞機實驗（如Belle，BaBar，Belle-II等）、強子對撞機實驗（如LHCb，ATLAS，CMS等）以及打靶實驗，但至今未觀察到任何跡象。這些以往的實驗大都只能探索極低質量的暗光子（質量小于5GeV）。中國科大在LHC實驗上首次利用暗希格斯軔致輻射過程（dark Higgs-strahlung）ZgA’h_D來尋找暗光子（圖1），其中暗希格斯粒子繼續衰變為兩個暗光子（h_DgA’A’），并且暗光子最終衰變為兩個費米子。這一新過程有助于探索高質量的暗光子（5GeV以上），并且可以同時尋找暗希格斯粒子。該項工作獲得了在暗光子質量區間為5GeV-40GeV內國際上最靈敏的實驗結果，并且顯著拓展了之前正負電子對撞機實驗的質量探索范圍（圖2，圖3）。

圖1：利用標準模型Z玻色子的稀有衰變來尋找暗光子A’，其中h_D為暗希格斯粒子

圖2：ATLAS實驗獲得的暗光子聯合耦合參數a_De²的90%置信上限

圖3：ATLAS實驗獲得的暗光子與光子的混合參數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，指導教師包括趙政國院士、吳雨生教授和徐來林特任教授，其中劉明依擔任分析組負責人，徐來林與劉明依為合作組文章共同通訊作者。中國科大團隊在ATLAS國際合作組內獨立完成了該項研究，承擔了全部的物理分析工作。中國科大ATLAS實驗組是趙政國院士領導下的一支具有相當規模和凝聚力的穩定團隊，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。科大組成員負責或參與探測器建造、運行維護及性能研究、觸發優化、末態重建性能的標定，和廣泛的物理研究。在標準模型的精確檢驗和測量、希格斯粒子的發現和性質研究，以及超出標準模型的新物理的直接尋找的物理研究中，取得了多個以科大組為主導并得到ATLAS國際合作組高度評價的重要物理結果。

論文鏈接：

Search for Dark Photons in Rare Z Boson Decays with the ATLAS Detector,Phys. Rev. Lett. 131, 251801,https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.251801

（近代物理系、科研部）