Die Experimente NA64 und NA62 befinden sich im Nordbereich des CERN und empfangen Strahlen vom Super Proton Synchrotron (SPS). Sie suchen nach dunkler Materie und ergänzen die Suche am LHC, da sie einen anderen Energiebereich abdecken. Zu beiden Experimenten wurden kürzlich neue Ergebnisse veröffentlicht. Die Forschung wird auf der veröffentlicht arXiv Preprint-Server.
Dunkle Materie scheint nicht mit unserer sichtbaren Welt zu interagieren, macht aber den größten Teil unseres Universums aus. Forscher gehen davon aus, dass der dunkle Sektor über sogenannte Mediatoren mit dem Standardmodell interagiert. Diese Mediatoren könnten beispielsweise ein dunkles Photon, ein dunkles Skalarboson und ein Axion sein, die sich dadurch unterscheiden könnten, wie sie mit Teilchen des Standardmodells interagieren.
Das NA62-Experiment, das den extrem seltenen Kaon-Zerfall in ein geladenes Pion und zwei Neutrinos untersuchen sollte, hat nun nach möglichen Beiträgen von Teilchen der Dunklen Materie zu einem weiteren seltenen Kaon-Zerfall gesucht. Die Forscher verwendeten einen Strahl, der hauptsächlich aus Pionen und Kaonen bestand und durch das Abfeuern des 400 GeV/c SPS-Protonenstrahls auf ein Beryllium-Target erzeugt wurde.
Der seltene Zerfall eines Kaons in ein Pion und ein Photonenpaar, das anschließend in zwei Elektron-Positron-Paare zerfällt, ist besonders interessant, da dunkle Bosonen hypothetisch in dieselben Endzustände zerfallen würden wie Photonen des Standardmodells.
Obwohl die Experimentatoren weder Beweise für einen so seltenen Zerfall noch für ein dunkles Boson fanden, legten sie durch die Analyse der in den Jahren 2017 und 2018 aufgezeichneten Daten die bisher strengsten Obergrenzen fest. Darüber hinaus schlossen die Experimentatoren das Axion als mögliche Erklärung dafür aus die 17 MeV/c2 ATOMKI-Anomalie und bestätigte damit frühere Erkenntnisse des NA64-Experiments.
Die NA64-Kollaboration sucht nach unsichtbaren hellen Teilchen der dunklen Materie, die über ein mögliches dunkles Photon mit Teilchen des Standardmodells interagieren. Mithilfe der zwischen 2016 und 2022 gesammelten Elektronenkollisionsdaten, die 9,4 × 1011 Elektronen auf dem Ziel entsprechen, begann NA64 erstmals mit der Erforschung des äußerst spannenden Parameterraums, der von zwei Benchmark-Modellen für Dunkle Materie vorhergesagt wurde.
Ihr Datensatz schließt führende Sub-GeV-Kandidaten für dunkle Materie mit einer Kopplung zwischen dem Teilchen der dunklen Materie und dem dunklen Photon für einen Bereich von Teilchenmassen der dunklen Materie aus, was beide Modelle ausschließt. Um diese Ergebnisse zu erhalten, verwendete das NA64-Experiment einen 100 GeV/c-Elektronenstrahl, der aus Protonen erzeugt wurde, die mit einem festen Ziel interagieren. Die Zusammenarbeit nutzte einen aktiven Strahldump und versuchte, das hypothetische dunkle Photon sowohl über sichtbare Elektron-Positron-Paare als auch über fehlende Energie für unsichtbare Zerfälle zu rekonstruieren.
Mehr Informationen:
NA62-Zusammenarbeit, Suche nach K+ zerfällt in den π+e+e-e+e- Endzustand, arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2307.04579