Constraints on a Long-Lived X17 Vector Boson with FASER
本文结合了 FASER 第三轮运行中对暗光子和类轴子粒子的搜索结果，以约束亲质子性 X17 矢量玻色子，排除了一个此前未被测试过的低耦合窗口，同时保留了一个高耦合窗口。
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宇宙建立在已知粒子和力的基础之上，物理学家称之为标准模型。几十年来，这一模型成功地解释了物质的行为，从最小的原子到最大的恒星。然而，就像任何地图一样，它可能存在缺失的领地。近年来，来自匈牙利实验室的一系列令人困惑的信号暗示了一种新的、不可见的粒子的存在。这一潜在的发现涉及一种微小的、短寿命的能量爆发，这种能量似乎出现在激发态原子核恢复到平静状态的过程中。如果属实，这种粒子将是一个幽灵般的信使，它与普通物质的相互作用极其微弱，以至于能从我们现有理解的缝隙中溜走，可能为通往一个隐藏的物理领域打开一扇门。
这个谜团始于对铍和氦原子核的观察。当科学家用质子轰击锂以产生激发态的铍时，这些原子核通过喷射出一对电子和正电子来进行衰变。这些粒子飞散的角度并不符合标准模型的预测。相反，它们聚集在一个特定的角度，这表明它们是由一个质量约为 1700 万电子伏特的某种新重粒子衰变而成的。在氦原子核中也出现了类似的异常现象，其中衰变产物聚集在另一个不同的角度，正如理论所预言的那样：如果是由同一个特定质量的新粒子负责，就会出现这种情况。这种假设的粒子被称为 X17，它是一种矢量玻色子，即一种力载体，但它是“亲质子恐惧型”的（protophobic），这意味着它几乎不与质子发生相互作用，使得在传统的实验中极难被发现。
为了解决这个谜题，研究团队将注意力转向了欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机，这是地球上最强大的粒子加速器。具体而言，他们将目光投向了 FASER，这是一个位于距离主碰撞点 480 米长的隧道下游的探测器。虽然对撞机的主探测器捕捉的是正面碰撞产生的剧烈碎片，但 FASER 的位置旨在捕捉那些向前直线射出、在隧道中旅行数百米后才发生衰变的粒子。研究人员推论，如果 X17 粒子确实存在，它可以在这些高能碰撞中产生，在隧道中行进一段距离，然后就在 FASER 探测器内部衰变为一个电子和一个正电子。由于该粒子质量很轻且相互作用微弱，它足以在旅途中保持足够长的寿命，不像大多数其他粒子那样瞬间消失。
团队结合了来自 FASER 之前进行的两次搜索的数据。其中一次搜索使用了 2022 年的数据来寻找“暗光子”（一种相关的粒子类型）。另一次搜索则使用了 2022 年和 2023 年的数据来寻找“类轴子粒子”。通过合并这些努力，研究人员有效地将整个探测器的磁化区域变成了一个捕捉 X17 的巨大陷阱。他们分析了数十亿次碰撞，寻找具有特定特征的信号：即粒子衰变为一对带电轨迹，这些轨迹在磁场中弯曲，并在量热计中沉积大量能量。分析过程非常严谨，考虑了所有可能的背景噪声来源，从随机的中微子到随机的宇宙射线，以确保发现的任何信号都是真实的。
结果是一个明确的零发现（null finding）。研究人员没有发现超过预期背景的额外事件。在 X17 粒子被认为可能存在的特定参数空间区域内，探测器未观测到任何现象。这种证据的缺失使得团队能够排除掉该粒子的一个特定相互作用范围。他们发现，如果 X17 存在，它与电子的耦合不能处于此前被认为切实可行的“低耦合”窗口内。这个代表了 6 × 10⁻⁵ 到 1.2 × 10⁻⁴ 相互作用强度的窗口现在已经被关闭了。X17 若要解释匈牙利异常现象，唯一的可能性是它与电子的相互作用比之前认为的要强得多，即处于一个 FASER 敏感度不足以探测到的“高耦合”窗口中。
这一结果并未完全否定 X17 粒子的存在，但它显著缩小了搜索范围。实验有效地排除了“低耦合”选项，即粒子与电子相互作用非常微弱的那个区域。数据表明，如果 X17 是真实的，它与电子的相互作用必须比此前被排除的那些模型所允许的更强。这项工作展示了将探测器放置在远离碰撞点的位置以捕捉这些难以捉摸的长寿命粒子的威力。尽管匈利利异常现象的谜团依然存在，但前进的道路现在变得更加清晰，因为低耦合选项已被排除，而高耦合区域成为了作为亲质子恐惧型矢量玻色子解释的唯一剩余候选方案。
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