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First Search for Quirks at the LHC with FASER

利用 2022–2024 年集成亮度为 186 fb⁻¹ 的 LHC 数据，FASER 实验进行了首次对夸克（quirks）的搜索，并在未发现任何事件的情况下，针对在广泛的次强颜色禁闭标度下质量高于弱标度的夸克，建立了首个排除限制。

原作者： FASER Collaboration

发布于 2026-07-30

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原作者： FASER Collaboration

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

想象一下，宇宙就像一套巨大的、宇宙级的乐高积木。几十年来，科学家们一直在用他们已知的零件构建模型：这些零件是构成从你的咖啡杯到恒星的一切内容的“标准模型”微小砖块。但有一种挥之不去的直觉，觉得说明书漏掉了几页。为什么引力相对于其他力量如此微弱？是什么样的不可见“暗物质”将星系维系在一起？为了回答这些问题，物理学家经常会想象一个由粒子和力量组成的隐藏的、平行的世界，它们太害羞了，以至于不会出现在我们日常的实验中。在这个隐藏世界中最引人入胜的角色之一，是一种被称为“奇特粒子”（quirk）的假设粒子。不要把奇特粒子看作单个的砖块，而要把它看作一对被一根隐形的、超强弹力带绑在一起的舞者。与那些以光速飞驰的普通粒子不同，这些舞者既重又迟缓。因为它们被绑在一起，它们不会只是笔直地飞行；它们在移动时会摇摆和振荡，留下一种奇怪的、缓慢的轨迹，这与粒子动物园中常见的常客完全不同。发现它们就像是发现了一个运动方式前所未见的全新物种，证明了宇宙比我们目前的蓝图所暗示的要富有创造力得多。

这正是 FASER 合作组在其最新论文《FASER 在 LHC 上对奇特粒子的首次搜索》中所致力于完成的工作。他们利用一个巨大的、高速的粒子加速器——大型强子对撞机（LHC）——并用它来碰撞质子，希望能创造出这些难以捉摸的奇特粒子对。然而，团队并没有在碰撞现场直接寻找奇特粒子。相反，他们将一个名为 FASER 的专用探测器放置在隧道下方 480 米处，隐藏在厚重的岩石和磁铁屏蔽层之后。这种设置就像一个宇宙筛子：它阻挡了几乎所有来自碰撞的普通碎片，只让最顽固、移动最快的粒子（如中微子和缪子）以及任何潜在的奇特粒子通过。

研究人员分析了 2022 年至 2024 年间收集的大量数据，其能量为 13.6 TeV，相当于 186 个“反费米（inverse femtobarns）”的质子碰撞。他们正在寻找一种非常特定的特征信号：成对到达的粒子（因为它们很慢）以及留下双电荷信号（因为有两个粒子在一起移动）。他们利用探测器的闪烁体——即当带电粒子经过时会发光的传感器——来精确测量粒子的到达时间和携带的电荷量。通过将到达时间与光速进行对比，他们可以识别出任何“慢动作”的入侵者。

结果如何？探测器什么也没看到。一个奇特粒子都没有。这次搜索非常干净，几乎没有背景噪声来干扰结果。由于他们在预期会出现奇特粒子存在的情况下观察到了零个事件，团队得以画下一条非常明确的分界线。他们现在已经排除了质量高于“弱标度”（一个特定的重量范围）且具有多种不可见力强度的奇特粒子的存在，具体而言，针对 300 eV 到 100 keV 之间的禁闭标度（confinement scales）。简单来说，如果奇特粒子存在，它们要么比测试的模型要重得多，要么其行为方式与团队测试的模型完全不同。虽然这并不是发现了一种新粒子，但它是绘制未知领域地图的重要一步：通过证明奇特粒子并未隐藏在宇宙的这个特定角落，FASER 团队帮助科学家缩小了寻找下一个物理学重大突破的范围。

技术摘要：利用 FASER 在 LHC 上进行的首次奇夸克（Quirks）搜索

问题与动机
标准模型（SM）虽然取得了成功，但未能解决规范层级问题，也缺乏可行的冷暗物质粒子候选者。涉及新的非阿贝尔规范群的扩展在理论上具有吸引力，特别是“中性自然性”（neutral naturalness）模型，其中在隐藏规范群下带电的非着色拓扑伙伴可以缓解层级问题。一类特定的此类扩展涉及“奇夸克”（quirks）——即假设的、在被称为“次强动力学”（infracolor, IC）的新的类 QCD 规范群下带电的物质粒子。虽然 IC 胶球是可行的暗物质候选者，且该框架解决了层级问题，但针对奇夸克的直接对撞机搜索却很少。此前的搜索局限于 Tevatron（DØ 实验），尽管曾有针对 ATLAS、CMS 和 LHCb 的策略提议，但在大型强子对撞机（LHC）上尚未进行过专门的搜索。

方法论
本分析展示了利用 2022 年至 2024 年间 FASER 探测器收集的数据进行的首次 LHC 奇夸克搜索。研究使用了 186 fb⁻¹ 的质子-质子碰撞数据，质心能量为 $\sqrt{s} = 13.6$ TeV。

信号模型： 本分析采用一个基准模型，其中奇夸克在 $SU_C(3) \times SU_L(2) \times U_Y(1) \times SU(N_{IC})$ 下的表示为 $(1, 1, -1, N_{IC})$ ，且 $N_{IC} = 2$ 。这对应于与右手带电轻子相同的标准模型规范电荷。该模型由奇夸克质量 ( $m_Q$ ) 和 IC 禁闭标度 ( $\Lambda$ ) 定义。奇夸克对通过 Drell-Yan 过程（由光子或 $Z$ 玻色子介导）产生，并且当 $\Lambda \ll m_Q$ 时，受 IC 力作用保持束缚。它们围绕共同的质心运动，其轨迹与标准模型粒子截然不同。至关重要的是，它们的高质量和 IC 力将速度转向横向振荡，显著降低了它们的纵向速度，使其远低于光速 ( $c$ )。
探测器与模拟： FASER 位于 ATLAS 相互作用点下游 480 米处，受 LHC 偶极磁铁和超过 100 米岩层的屏蔽，使其成为探测长寿命、慢速运动粒子的理想场所。该探测器包括一个径迹谱仪、一个采样电磁量热计和八个闪烁体。
- 模拟： 信号事件使用 MadGraph5 aMC@NLO 进行模拟，并与用于部分子淋洗（parton showering）的 Pythia 8（LHCb 微调版）进行接口，同时基于 LHCb 前向 $Z$ 玻色子产生测量进行了归一化修正。奇夸克在物质和磁场中的传播对于 $\Lambda > 3$ keV（此时 IC 力占主导）采用解析模拟，对于探测器相互作用则通过 Geant4 进行模拟。
- 背景： 主要背景是“穿透式缪子”（在所有闪烁体中沉积电荷）和“扭折”（kinked）事件（缪子诱导的二次簇射）。宇宙射线缪子和束流诱导背景被发现可以忽略不计。
选择标准：
- 径迹： 事件要求在上游和下游径迹站都有径迹段。通过拟合径迹命中分布的椭圆来拒绝簇射类事件（要求半短轴 $< 3$ cm），并确保径迹保持在有效区域内。
- 电荷： 为每个闪烁器优化了“类奇夸克电荷”（QLC）窗口。虽然单个缪子通常遵循兰道分布沉积电荷，但奇夸克对会沉积大约两倍的电荷。信号事件被要求在所有八个闪烁体中均表现出 QLC。
- 计时与速度： 闪烁体计时经过校准，以匹配以光速 $c$ 行进的缪子的到达时间。通过到达时间与位置之间的线性回归得到了到达时间 ( $t_0$ ) 和速度 ( $\beta = v/c$ )。事件被要求满足 $\beta > 0.6$ ，并且落在由 $(t_0, \beta)$ 平面内的二维高斯椭圆定义的特定“非同步”区域之外。这些椭圆排除了大部分穿透式缪子和卫星桶（相邻 RF 桶中的质子）背景。
- 背景估计： 使用数据驱动的 ABCD 方法估计了信号区域中残留的穿透式缪子背景，假设电荷与计时之间不存在相关性。通过外推主计时椭圆中非高斯事件的幂律尾部，估计了“扭折”背景。

关键结果

观测： 在定义的信号区域内未观察到任何事件。
背景： 2022–2023 年期间信号区域的估计背景为 $0.046 \pm 0.010$ 个事件，2024 年期间为 $0.082 \pm 0.014$ 个事件。总预期背景在不确定度范围内与零一致。
排除限制： 零结果导致了 LHC 上对奇夸克的首次排除限制。该分析在宽广的 $300 \text{ eV} < \Lambda < 100 \text{ keV}$ 范围内，排除了质量高于弱标度的奇夸克。

意义与主张
本文声称完成了 LHC 上对奇夸克的首次直接搜索，填补了此前 Tevatron 搜索留下的空白以及虽有提议但未执行的 LHC 策略之缺口。通过利用 FASER 独特的正向几何结构和屏蔽特性，该分析利用了奇夸克独特的运动学特征——特别是其缓慢的速度和奇异的电磁痕迹——实现了近乎无背景的搜索。结果提供了对质量高于弱标度且禁闭标度在 300 eV 至 100 keV 之间的奇夸克模型的首次实验约束，显著推进了对隐藏非阿贝尔部门及潜在解决规范层级问题方案的探索。

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