A experiência NA64 iniciou operações na Área SPS Norte do CERN em 2016. O seu objetivo é procurar partículas desconhecidas de um hipotético “setor escuro”. Para essas buscas, o NA64 direciona um feixe de elétrons para um alvo fixo. Os pesquisadores então procuram por partículas desconhecidas do setor escuro produzidas por colisões entre os elétrons do feixe e os núcleos atômicos do alvo.



Recentemente, a equipe do NA64 começou a usar um feixe de múons do SPS para procurar novas partículas que interagissem predominantemente com múons – versões mais pesadas do elétron – e pudessem explicar simultaneamente o antigo quebra-cabeça do momento magnético anômalo do múon e da matéria escura. (DM) problema. Seus primeiros resultados foram aceitos na revista Physical Review Letters em 8 de abril.

Neste artigo, a colaboração NA64 estabelece novos limites no espaço de parâmetros disponível – a janela onde os investigadores poderiam encontrar um hipotético bóson escuro Z' acoplado apenas a múons e tauons para determinados valores de sua massa e força de acoplamento.

No chamado modelo vanilla, o Z' só pode decair novamente em neutrinos e poderia fornecer uma explicação para o quebra-cabeça do momento magnético anômalo do múon. No entanto, em modelos estendidos, também pode decair em candidatos a DM. Isso resolveria o problema do DM, prevendo a densidade de relíquias observada de partículas de DM criadas no universo primitivo.

Com estes resultados, a colaboração NA64 demonstra o grande potencial dos feixes de múons em buscas de matéria escura e em futuros novos cenários físicos, preferencialmente acoplados a múons.

"Os múons que se espalham pelos núcleos do alvo podem produzir um hipotético bóson escuro Z', seguido por seu decaimento invisível em um par de neutrinos ou em um par de candidatos à matéria escura, dependendo do modelo subjacente", explica o vice-coordenador técnico. Laura Molina Bueno. "A assinatura desta produção seria a falta de energia e impulso nos nossos detectores."

Para procurar isso, um feixe de múon terciário de 160 GeV derivado do feixe de prótons primário do SPS é disparado em um calorímetro eletromagnético que atua como um alvo ativo. Os experimentalistas então procuram eventos em que um múon no estado final tenha um momento inferior a 80 GeV sem atividade detectável nos calorímetros a jusante.

Como nenhum evento correspondente a essas condições foi observado na região de sinal esperada, os pesquisadores conseguiram excluir esta região e concluíram que, para o primeiro modelo, a única janela de massa possível para um bóson escuro Z' para explicar a anomalia do múon g-2 é de 6 MeV a 40 MeV.

Seus resultados também indicam que a matéria escura térmica leve acoplada ao modelo padrão através de um (Lmu-Ltau) Z' não pode ser mais pesada que 40 MeV.

O NA64 está entre os primeiros experimentos em busca de setores escuros fracamente acoplados a múons. Os experimentalistas estão confiantes de que cobrirão o espaço de parâmetros disponível no futuro usando intensidades de feixe mais altas.

"Usar um feixe de múon abre uma nova janela para explorar outros novos cenários de física bem motivados, como modelos de referência de fótons escuros, portais escalares, partículas milicarregadas ou processos de violação do sabor do leptão", conclui o co-porta-voz do NA64, Paolo Crivelli.