Dark photons in exotic Higgs boson decays at FCC-ee

Het universum is gevuld met zaken die we kunnen zien en meten, van de sterren boven ons tot de atomen waaruit onze eigen lichamen zijn opgebouwd. Toch weten natuurkundigen dat de zichtbare wereld slechts een klein fractie van de werkelijkheid is. Er bestaat een uitgestrekt, onzichtbaar rijk dat bekend staat als donkere materie, die sterrenstelsels bij elkaar houdt maar op geen enkele manier interageert met licht of gewone materie op een wijze die we tot nu toe hebben gedetecteerd. Om dit verborgen domein te begrijpen, zoeken wetenschappers naar "portals" (poorten)—theoretische bruggen die ervoor kunnen zorgen dat deeltjes uit onze zichtbare wereld in de donkere wereld kunnen glippen. Een dergelijke mogelijkheid betreft een nieuw, onzichtbaar deeltje genaamd een donker foton. In tegenstelling tot het vertrouwde foton dat licht draagt, zou deze donkere versie een boodschapper zijn voor een verborgen kracht, die mogelijk slechts zeer zwak interageert met onze wereld en wellicht een korte afstand aflegt voordat hij verdwijnt. Als dergelijke deeltjes bestaan, zouden ze kunnen verklaren waarom het universum uit materie bestaat in plaats van antimaterie, of waarom neutrino's massa hebben. De uitdaging is dat deze deeltjes zo ongrijpbaar zijn dat ze nog nooit direct zijn gezien, waardoor wetenschappers experimenten moeten ontwerpen die een glimp van hun vluchtige voetafdrukken kunnen opvangen.

Onderzoekers aan de Universiteit van Uppsala in Zweden hebben een nieuwe manier voorgesteld om naar deze donkere fotonen te zoeken met behulp van een toekomstige machine genaamd de Future Circular Collider, of FCC-ee. Deze enorme faciliteit, gepland voor CERN, zal elektronen en positronen op elkaar laten botsen bij energieën van 240 miljard elektronvolt. Het doel van deze specifieke studie is om te kijken naar een zeldzame gebeurtenis waarbij een Higgs-boson, het deeltje dat verantwoordelijk is voor het geven van massa aan andere deeltjes, vervalt in een paar donkere fotonen. De onderzoekers richtten zich op een scenario waarin deze donkere fotonen langlevend zijn, wat betekent dat ze een meetbare afstand afleggen vanaf het punt van creatie voordat ze vervallen in paren muonen, de zware neven van het elektron. Omdat de donkere fotonen een korte afstand zouden afleggen voordat ze uiteenvallen, zouden de resulterende muonen lijken te ontstaan vanuit een punt in de ruimte dat iets verschoven is ten opzichte van het hoofdbotsingspunt, wat een signatuur creëert die bijna onmogelijk door gewone achtergrondprocessen nagebootst kan worden.

Om dit idee te testen, voerde het team gedetailleerde computersimulaties uit van wat er zou gebeuren als de FCC-ee op volle capaciteit zou werken, waarbij meer dan twee miljoen Higgs-bosonen worden geproduceerd. Ze modelleerden het gedrag van de donkere fotonen over een breed scala aan mogelijke massa's en interactiesterktes, waarbij scenario's werden gedekt waarbij de deeltjes een afstand variërend van enkele micrometers tot enkele meters afleggen voordat ze vervallen. Het signaal waarnaar ze op zoek waren, was zeer specifiek: een botsing die twee jets van gewone materie produceert van een Z-boson, vergezeld door twee paren muonen die afkomstig zijn van verschoven punten. De onderzoekers ontwikkelden een set regels om de miljoenen gesimuleerde gebeurtenissen te sorteren en de overweldigende ruis van standaard deeltjesinteracties weg te filteren. Ze zochten naar gebeurtenissen waarbij de vier muonen de juiste gecombineerde energie hadden om overeen te komen met een Higgs-boson, waarbij de muonparen licht genoeg waren om donkere fotonen te zijn, en waarbij de muonen leken te komen van een secundaire locatie enkele millimeters tot twee meter verwijderd van het centrum van de botsing.

De resultaten van deze simulatie waren opvallend schoon. Door deze kinematische regels toe te passen, vonden de onderzoekers dat zij elke enkele achtergrondgebeurtenis konden elimineren die het Standaardmodel van de deeltjesfysica voorspelt die dit signaal zouden kunnen nabootsen. In de gesimuleerde gegevens daalde de achtergrond naar nul, terwijl een aanzienlijk deel van de signaalgebeurtenissen overbleef. Dit scenario met nul achtergrond is een krachtig instrument voor ontdekking, omdat het betekent dat zelfs een handvol geobserveerde gebeurtenissen een duidelijk teken van nieuwe fysica zou zijn. De studie berekende dat als het Higgs-boson vervalt in donkere fotonen met een waarschijnlijkheid van slechts één op duizend, de FCC-ee gevoelig genoeg zou zijn om dit te detecteren. De analyse toonde aan dat de machine donkere foton-massa's kon verkennen variërend van 0,36 tot 10 GeV en kinetische mengparameters zo klein als één deel per tien miljoen.

De onderzoekers vergeleken hun geprojecteerde gevoeligheid met de huidige limieten die zijn vastgesteld door bestaande experimenten bij de Large Hadron Collider, zoals die worden uitgevoerd door de ATLAS- en CMS-collaboraties. Ze stelden vast dat hun voorgestelde zoektocht bij de FCC-ee concurrerend zou zijn met, en in sommige gevallen gevoeliger dan, de beste huidige resultaten, met name voor donkere fotonen met zeer lage massa's en lange levensduurs. De studie benadrukt dat de FCC-ee uniek in staat zou zijn om het "langlevende" regime te verkennen, waarbij deeltjes een meetbare afstand afleggen voordat ze vervallen, een gebied dat moeilijk toegankelijk is met andere methoden. Het team selecteerde drie specifieke voorbeelden om hun bevindingen te illustreren, waarbij werd getoond hoe de detector zou reageren op donkere fotonen met massa's van 0,36, 1,1 en 7,0 GeV, elk met verschillende vervalafstanden variërend van ongeveer 2 millimeter tot 148 millimeter. In elk geval isoleerden de selectiecriteria het signaal succesvol van de achtergrond.

Dit werk is een prospectieve studie, wat betekent dat het een routekaart is voor wat bereikt zou kunnen worden, in plaats van een rapport over reeds verzamelde gegevens. De bevindingen zijn volledig gebaseerd op simulaties van de respons van de detector en het theoretische gedrag van de deeltjes. Echter, de helderheid van de resultaten suggereert dat de FCC-ee een ideale omgeving is voor dit type zoektocht. Het vermogen om de achtergrond tot nul te reduceren terwijl een hoge efficiëntie voor het signaal behouden blijft, geeft aan dat als donkere fotonen bestaan binnen het bereik van de onderzochte massa's en koppelingen, de FCC-ee ze waarschijnlijk zou vinden. De studie concludeert dat deze faciliteit een krachtig nieuw venster biedt op het donkere domein, met het potentieel om de eigenschappen van donkere fotonen aanzienlijk te beperken of ze te ontdekken, mits ze bestaan binnen de verkende parameters. Het onderzoek onderstreept de waarde van precisie-metingen en de zoektocht naar zeldzame, verschoven signaturen in de strijd om de verborgen krachten van het universum te begrijpen.