Dark photon and U(1)$_{B-L}$ gauge boson from dark Higgs boson decays at FASER and SHiP

Este artículo analiza la sensibilidad de los experimentos FASER y SHiP a los fotones oscuros y los bosones gauge U(1)$_{B-L}$ producidos en las desintegraciones del bosón de Higgs oscuro, derivando restricciones sobre el espacio de parámetros e presentando las regiones de sensibilidad esperadas para sus futuras versiones, FASER2 y SHiP.

Lo esencial

¡Claro que sí! Imagina que el universo es como una inmensa casa con dos pisos.

• El piso de abajo (Mundo Visible): Es donde vivimos nosotros, con todo lo que conocemos: átomos, luz, estrellas y las partículas que estudian los físicos en el CERN.
• El piso de arriba (Sector Oscuro): Es un piso secreto, invisible, donde viven "inquilinos" misteriosos como la Materia Oscura. No los vemos, pero sabemos que están ahí porque la casa no se cae (gravedad) y hay cosas extrañas pasando.

El problema es que no hay una escalera ni una puerta entre los dos pisos. ¿Cómo podemos saber qué hay arriba? Necesitamos un mensajero que pueda cruzar de un piso a otro.

El Mensajero: El "Fotón Oscuro" y el "Higgs Oscuro"

En este papel, los científicos proponen dos tipos de mensajeros especiales:

1. El Fotón Oscuro (Dark Photon): Imagina que es como un cable de teléfono invisible. En nuestro mundo, el cable de teléfono (el fotón normal) conecta cosas eléctricas. El fotón oscuro es un cable similar, pero que conecta el mundo visible con el mundo oscuro. A veces, este cable se "mezcla" un poquito con nuestro cable normal, permitiendo que una señal pase de un lado a otro.
2. El Higgs Oscuro (Dark Higgs): Imagina que es una caja de regalo misteriosa. Esta caja se produce en las colisiones de partículas (como cuando chocan dos coches de juguete a toda velocidad). Lo interesante es que esta caja no se queda quieta; se descompone (explota) y de ella salen los mensajeros (los fotones oscuros).

El Nuevo Descubrimiento: ¡La Caja se rompe de forma diferente!

Antes, los científicos pensaban que cuando la "Caja de Regalo" (Higgs Oscuro) se rompía, siempre salían dos mensajeros juntos, como si fuera un paquete de dos bolas de billar que rodaban juntas.

¡Pero este artículo dice: "Oye, hay otra forma!"

Los autores (un equipo de físicos de Japón y China) descubrieron que la caja también puede romperse y soltar solo un mensajero, acompañado de una partícula normal de nuestro mundo (como un electrón).

• La analogía: Imagina que tienes un globo lleno de agua (la caja). Antes pensabas que al pincharlo, salían dos chorros de agua. Ahora descubren que a veces, el globo explota y sale un chorro de agua que va directo hacia ti, mientras el resto del agua se queda en el globo o se mezcla con el aire.
• ¿Por qué importa? Porque si solo sale un mensajero, este puede viajar más rápido y más lejos antes de desvanecerse. Esto nos da una oportunidad de atraparlo en experimentos que antes pensábamos que no funcionarían.

Los Detectores: FASER, FASER2 y SHiP

Para atrapar a estos mensajeros, los científicos usan detectores gigantes que son como trampas de moscas colocadas muy lejos del lugar donde chocan las partículas.

• FASER y FASER2: Son como cámaras de seguridad muy sensibles colocadas en un túnel largo bajo tierra en el CERN (Suiza). Esperan a que los mensajeros viajen cientos de metros y choquen contra la cámara para ser vistos.
• SHiP: Es una trampa aún más grande y sensible, diseñada para ser una "caza-fantasmas" definitiva.

¿Qué encontraron en este estudio?

1. Revisando el pasado (FASER): Miraron los datos que ya tienen de FASER. Descubrieron que, si los mensajeros son de cierto tamaño y tienen cierta "fuerza" de conexión, ya deberían haberlos visto. Como no los vieron, descartaron ciertas zonas del mapa donde podrían esconderse. Es como decir: "No están en la cocina, así que deben estar en el sótano".
2. Mirando al futuro (FASER2 y SHiP): Usando su nueva idea de "un solo mensajero", calcularon que estos futuros detectores pueden ver zonas que antes eran invisibles.
   • Pueden encontrar mensajeros que son muy débiles (se conectan muy poco con nosotros).
   • Pueden encontrar mensajeros que son muy pesados.
   • Pueden probar teorías sobre cómo se formó la Materia Oscura (los inquilinos del piso de arriba) en los primeros momentos del universo.

En resumen

Este artículo es como un manual de instrucciones actualizado para cazadores de fantasmas.

• Antes: Pensábamos que el fantasma (Materia Oscura) solo salía de su casa en parejas.
• Ahora: Sabemos que a veces sale solo, acompañado de un amigo humano.
• El resultado: Gracias a esta nueva forma de buscar, los futuros experimentos (FASER2 y SHiP) tendrán una oportunidad mucho mayor de atrapar al fantasma y entender de qué está hecho el 95% del universo que no podemos ver.

Es una historia de cómo cambiar la forma en que miramos un problema (buscar uno en lugar de dos) puede abrir nuevas puertas en la ciencia más profunda.

Resumen técnico

Resumen Técnico: Decaimientos del Bosón de Higgs Oscuro en Fotones Oscuros y Bosones de Gauge $U(1)_{B-L}$ en FASER y SHiP

1. El Problema

En el marco de la física de partículas más allá del Modelo Estándar (ME), los sectores oscuros débilmente acoplados y ligeros son candidatos prometedores para explicar la materia oscura, la masa de los neutrinos y otras anomalías. Los experimentos actuales y futuros como FASER, FASER2 y SHiP están diseñados para detectar partículas de vida media larga (LLP).

Hasta la fecha, la mayoría de los estudios sobre la sensibilidad a los fotones oscuros ($A'$) y los bosones de gauge $U(1)_{B-L}$ ($Z'$) producidos a través de decaimientos de un bosón de Higgs oscuro ($\phi$) se han centrado únicamente en la producción de pares de bosones vectoriales ($\phi \to A'A'$ o $\phi \to Z'Z'$) a partir de Higgs oscuros en masa (on-shell) o fuera de masa (off-shell).

El problema central abordado en este trabajo es que se ha pasado por alto un canal de producción crucial: la producción de un solo bosón vectorial asociado con partículas del Modelo Estándar ($\phi \to A' + \text{SM}$ o $\phi \to Z' + \text{SM}$) a partir de un decaimiento de Higgs oscuro en masa. Este proceso es especialmente relevante cuando la producción de pares está cinemáticamente prohibida ($m_\phi < 2m_{A'}$) o cuando el acoplamiento cinético es suficientemente grande. La falta de consideración de este canal limita la comprensión de las regiones de parámetros accesibles en los experimentos de LLP.

2. Metodología

Los autores analizan dos modelos teóricos principales que introducen un campo escalar complejo (Higgs oscuro) para generar la masa de los nuevos bosones de gauge mediante ruptura espontánea de simetría:

1. Modelo del Fotón Oscuro: Basado en una simetría $U(1)_D$ oculta con mezcla cinética ($\epsilon$) con el hipercarga del ME.
2. Modelo $U(1)_{B-L}$: Basado en la simetría de número bariónico menos número leptónico, que requiere neutrinos estériles para cancelar anomalías.

Procesos de Producción Analizados:
El estudio considera tres mecanismos de producción de bosones vectoriales ($V = A'$ o $Z'$) a partir de decaimientos de $\phi$:

• (A) Decaimiento en masa a pares: $\phi \to VV$.
• (B) Decaimiento en masa a un solo vector + SM: $\phi \to V + f\bar{f}$ (donde $f$ son fermiones del ME). Este es el proceso novedoso analizado en detalle.
• (C) Decaimiento fuera de masa a pares: $\phi^* \to VV$ (vía decaimientos de mesones como $B \to K \phi^* \to KVV$).

Cálculos y Simulaciones:

• Se derivan las amplitudes de dispersión y los anchos de decaimiento diferencial para el proceso (B), mostrando que el diagrama dominante involucra la interacción directa del Higgs oscuro con el bosón de gauge y el par de fermiones.
• Se calculan las distribuciones de momento y ángulo de los bosones vectoriales producidos, utilizando distribuciones de mesones $B$ generadas con Pythia 8 para colisiones protón-protón en el LHC (para FASER/FASER2) y para el blanco de SHiP.
• Se estima el número de eventos de señal esperados en los detectores, considerando la probabilidad de que el Higgs oscuro y el bosón vectorial decaigan dentro de la región activa del detector.
• Se aplican límites de exclusión basados en los resultados más recientes de FASER (177 fb$^{-1}$) y se proyectan las sensibilidades para FASER2 (3 ab$^{-1}$) y SHiP ($6 \times 10^{20}$ protones sobre blanco).

3. Contribuciones Clave

• Identificación de un nuevo canal de producción: El trabajo demuestra que el proceso $\phi \to A' + \text{SM}$ (y su análogo $Z'$) es fundamental para explorar regiones de parámetros donde la producción de pares está prohibida o suprimida.
• Exploración de acoplamientos grandes: Mientras que la producción de pares suele dominar en regímenes de acoplamiento débil, el canal de un solo vector permite acceder a regiones de mezcla cinética ($\epsilon$) más grandes (hasta $\epsilon \sim 10^{-3}$). En estos casos, el fotón oscuro puede ser de vida corta, pero el Higgs oscuro, debido a la supresión de fase, puede viajar distancias macroscópicas antes de decaer, permitiendo su detección.
• Actualización de límites y sensibilidades: Se derivan nuevos límites de exclusión para el modelo de fotón oscuro utilizando datos de FASER y se presentan regiones de sensibilidad actualizadas para FASER2 y SHiP que incluyen explícitamente los procesos de un solo bosón.
• Conexión con Materia Oscura Freeze-in: Se discute la relevancia del modelo $U(1)_{B-L}$ en el escenario de freeze-in para la materia oscura (neutrinos estériles). Se muestra que FASER2 y SHiP pueden sondear regiones de acoplamiento gauge ($g_{B-L}$) muy pequeñas ($< 10^{-7}$) que son inaccesibles mediante la producción directa de $Z'$, pero que son viables a través de la desintegración del Higgs oscuro.

4. Resultados Principales

• Límites de FASER: Utilizando los datos actuales de FASER, se excluye una región del espacio de parámetros del fotón oscuro para masas de Higgs oscuro ($m_\phi$) entre 0.5 y 3.0 GeV, con un ángulo de mezcla escalar $\alpha \sim 10^{-3}$ y acoplamientos de gauge $g'$ entre $10^{-5}$ y 0.05.
• Sensibilidad de FASER2:
  • La inclusión del proceso $\phi \to A' + \text{SM}$ expande significativamente la sensibilidad hacia valores más altos de $\epsilon$ (hasta $\sim 10^{-3}$), una región que no es accesible en el modelo de fotón oscuro "estándar" (sin Higgs oscuro).
  • Incluso para detectores rectangulares como FASER2, la producción de Higgs oscuros en masa permite sondear valores de $\epsilon$ más pequeños de lo esperado.
• Sensibilidad de SHiP: Debido a su mayor volumen de decaimiento y geometría, SHiP explora un espacio de parámetros aún más amplio que FASER2 para ambos modelos.
• Modelo $U(1)_{B-L}$:
  • La producción de pares $Z'Z'$ a través de $\phi \to Z'Z'$ permite sondear acoplamientos $g_{B-L}$ muy pequeños ($< 10^{-7}$).
  • Estas regiones de parámetros son consistentes con la producción de materia oscura (neutrinos estériles) mediante el mecanismo de freeze-in en el infrarrojo, donde la densidad relicta se reproduce correctamente.
• Dependencia de la masa: Se analiza la sensibilidad para diferentes masas del Higgs oscuro ($m_\phi = 0.5, 1.2, 2.0, 3.0$ GeV), mostrando que la viabilidad de los canales depende críticamente de las umbrales cinemáticos ($2m_{A'}$ vs $m_\phi$).

5. Significancia

Este trabajo es fundamental porque redefine las estrategias de búsqueda para partículas de vida media larga en experimentos de física de frontera. Al demostrar que la producción de un solo bosón vectorial asociado a partículas del Modelo Estándar es un mecanismo viable y dominante en ciertos regímenes, el estudio:

1. Amplía el alcance de los experimentos: Permite a FASER2 y SHiP explorar regiones de parámetros (especialmente acoplamientos grandes o masas específicas) que se consideraban fuera de su alcance si solo se consideraba la producción de pares.
2. Conecta fenómenos observables con la cosmología: Proporciona un vínculo directo entre la detección de LLPs en aceleradores y la generación de materia oscura mediante mecanismos de freeze-in en modelos $U(1)_{B-L}$.
3. Optimiza la interpretación de datos: Ofrece un marco teórico completo para interpretar futuros hallazgos (o la ausencia de ellos) en términos de la estructura del sector oscuro, incluyendo la interacción entre el Higgs oscuro y los bosones de gauge.

En resumen, el artículo establece que ignorar el canal de un solo bosón vectorial en los decaimientos de Higgs oscuros llevaría a una subestimación significativa de la sensibilidad de los futuros experimentos de LLP a la física del sector oscuro.