L'expérience NA64 a démarré ses opérations dans la zone Nord du SPS du CERN en 2016. Son objectif est de rechercher des particules inconnues provenant d'un hypothétique « secteur sombre ». Pour ces recherches, NA64 dirige un faisceau d'électrons sur une cible fixe. Les chercheurs recherchent ensuite des particules inconnues du secteur sombre produites par des collisions entre les électrons du faisceau et les noyaux atomiques de la cible.
Récemment, l'équipe NA64 a commencé à utiliser un faisceau de muons du SPS pour rechercher de nouvelles particules qui interagissent principalement avec les muons (des versions plus lourdes de l'électron) et pourraient expliquer simultanément l'énigme de longue date du moment magnétique anormal du muon et de la matière noire. (DM) problème. Leurs premiers résultats ont été acceptés dans la revue Physical Review Letters le 8 avril.
Dans cet article, la collaboration NA64 fixe de nouvelles limites à l'espace des paramètres disponibles :la fenêtre dans laquelle les chercheurs pourraient trouver un hypothétique boson sombre Z' se couplant uniquement aux muons et aux tauons pour des valeurs données de sa masse et de sa force de couplage.
Dans le modèle dit vanille, le Z' ne peut se désintégrer qu'en neutrinos et pourrait fournir une explication de l'énigme du moment magnétique anormal du muon. Cependant, dans les modèles étendus, il peut également se transformer en candidats DM. Cela résoudrait le problème du DM en prédisant la densité relique observée des particules de DM créées dans l'univers primitif.
Avec ces résultats, la collaboration NA64 démontre le grand potentiel des faisceaux de muons dans la recherche sur la matière noire et dans les futurs nouveaux scénarios de physique couplés de préférence aux muons.
"Les muons diffusés par les noyaux de la cible pourraient produire un hypothétique boson sombre Z', suivi de sa désintégration invisible en une paire de neutrinos ou en une paire de candidats à la matière noire, selon le modèle sous-jacent", explique le coordinateur technique adjoint. Laura Molina Bueno. "La signature de cette production serait le manque d'énergie et d'impulsion dans nos détecteurs."
Pour cette recherche, un faisceau de muons tertiaires de 160 GeV dérivé du faisceau de protons primaire du SPS est tiré sur un calorimètre électromagnétique agissant comme cible active. Les expérimentateurs recherchent ensuite des événements dans lesquels un muon à l'état final a une impulsion inférieure à 80 GeV sans activité détectable dans les calorimètres en aval.
Comme aucun événement correspondant à ces conditions n'a été observé dans la région de signal attendue, les chercheurs ont pu exclure cette région et conclure que, pour le premier modèle, la seule fenêtre de masse possible pour un boson sombre Z' expliquant l'anomalie du muon g-2 est de 6 MeV à 40 MeV.
Leurs résultats indiquent également que la matière noire thermique légère couplée au modèle standard via un (Lmu-Ltau) Z' ne peut pas être plus lourde que 40 MeV.
NA64 fait partie des premières expériences recherchant des secteurs sombres faiblement couplés aux muons. Les expérimentateurs sont convaincus qu'ils couvriront l'espace des paramètres disponibles à l'avenir en utilisant des intensités de faisceau plus élevées.
"L'utilisation d'un faisceau de muons ouvre une nouvelle fenêtre pour explorer d'autres nouveaux scénarios physiques bien motivés, tels que des modèles de référence de photons noirs, des portails scalaires, des particules millichargées ou des processus violant la saveur du lepton", conclut Paolo Crivelli, co-porte-parole de NA64.
