Физики из Китая разработали модель эксперимента по поиску тёмных фотонов — гипотетических частиц, которые могут быть мостом между видимым веществом и т.н. тёмным сектором. Предлагается использовать будущую установку HIAF (High Intensity heavy ion Accelerator Facility) в городе Хуэйчжоу, которую строит Китайская академия наук для исследований в ядерной физике и астрофизике.

В центре внимания — редкий распад η-мезона, короткоживущей частицы, которая может возникать в протонных столкновениях. По одной из теорий, η-мезон может распадаться на обычный фотон и тёмный фотон, а тот — в электрон и позитрон. Подобный распад невозможно увидеть напрямую, но можно отследить его по конечным продуктам, которые можно зарегистрировать, если создать достаточно компактный и быстрый детектор.

Авторы работы смоделировали, как такой эксперимент можно провести в реальности. По расчётам, при месячной работе установка сможет получить около 6×1011 η-мезонов. Для регистрации продуктов распада предлагается использовать компактный спектрометр, включающий кремниевые трекеры и калориметр, измеряющий энергию частиц.

Моделирование показало, что система сможет обнаружить очень редкие события — вплоть до одного на десять миллионов распадов. На точность влияет не только количество данных, но и конструкция прибора. При оптимальной конфигурации прибор сможет «увидеть» даже очень редкие события — примерно одно на десять миллионов распадов. Исследователи протестировали два типа калориметров и показали, что многослойный вариант (с чередованием свинцового стекла и пластика) на 43% лучше определяет массу электронно-позитронной пары, что помогает отличить сигнал от фоновых процессов.

Если установка будет реализована, то она сможет исследовать диапазон масс тёмного фотона, слабо охваченный другими экспериментами и ранее недоступные для наземных ускорителей. По чувствительности модель приближается к другим известным проектам вроде NA48/2, KLOE и LHCb, но работает в другом диапазоне — с более лёгкими частицами и при меньших энергиях.

Проект показывает, что даже сравнительно компактные эксперименты могут серьёзно продвинуться в поиске новых частиц. Расширение диапазона параметров тёмного фотона важно для понимания структуры материи и может помочь в тестировании теорий, выходящих за пределы Стандартной модели.