通过不可见衰变寻找与研究暗规范玻色子

Many new physics models predict an extra U(1) gauge boson with GeV mass scale, which could be the mediator of the interactions between the dark matter. The low energy, high luminosity electron-positron colliders are considered to be among the best places to look for such bosons. The applicant is planning to carry out systematic studies and measurements of the possibly sensitive processes with BESIII detector at BEPC national laboratory. BESIII is taking data at tau-charm energy region, with very good quality and high statistics. These features will help to look for the predicted dark gauge bosons, and to discover or set limit on their properties and the physics parameters. We hope these studies could contribute to the understanding of the long-standing mystery of dark matter and their interactions with each other. The invisible decays have the advantage of low backgrounds and high sensitivities, and their sensitive probing ranges for the kinematic mixing parameter are one order of magnitude wider than those of multiple lepton final states. This project is going to carry out systematic studies, utilizing these unique advantages to shed light on this important topic of the dark matter at the scientific frontier.

许多新物理模型都预言了额外的质量不超过GeV范围的规范玻色子，他们可能是暗物质相互作用的传递者。低能量高亮度的正负电子对撞机是寻找这样的暗规范玻色子的最佳场所。申请人计划依托BEPC国家实验室的大科学装置，利用 BESIII探测器在 tau-粲能区获取和即将获取的大统计量、高质量的事例样本，对可能的敏感过程进行系统的测量和研究，寻找理论预言的暗规范玻色子，发现或者限制他们的性质和物理参数，从而推进对暗物质属性和相互作用的理解。不可见衰变过程具有本底小、灵敏度高的特点，对混合参数的灵敏范围要比到多轻子末态的过程宽一个量级。本项目将利用这些独特的优势，展开系统的研究, 以增进对暗物质这个重大科学前沿问题的理解。

许多新物理模型都预言了额外的质量不超过 GeV 范围的规范玻色子,他们可能是暗物质相互作用的传递者。低能量高亮度的正负电子对撞机是寻找这样的暗规范玻色子的最佳场所。申请人依托BEPC 国家实验室的大科学装置,利用 BESIII 探测器在 tau-粲能区获取和即将获取的大统计量、高质量的事例样本,对可能的敏感过程进行系统的测量和研究,寻找理论预言的暗规范玻色子,发现或者限制他们的性质和物理参数,从而推进对暗物质属性和相互作用的理解。本项目利用这些独特的优势,展开了研究。..在项目进行过程中，我们初步完成了Jpsi 到U玻色子和暗（轻）希格斯粒子h’的过程　Jpsi->Uh’的研究．其中h’衰变到不可见末态，而U衰变到e+e-对。初步的研究表明，不可见衰变道的本底很高，需要深入研究如何在BESIII上控制和精确理解这些本底。考虑到BESIII在2012年获取的10亿数据已经在最新的软件版本下处理完毕，有必要先研究多轻子末态，特别是eta’和eta 伴随电子对末态的情况。因此我们调整了原计划，先研究介子衰变的双轻子末态，在有了初步结果之后再去进一步研究更为困难的不可见衰变道。..我们开展了在介子衰变中寻找暗光子的研究，重点是做了 J/ψ→eta’ U ->eta’ e+e− ,同时参与和指导了其姊妹道J/ψ→eta U ->eta e+e−. 该工作主体已经完成，正在准备memo. 在该工作过程中，还通过两个衰变道首次观察到了稀有衰变过程 ψ（3686）→eta’e+e−. 我们计划尽快完成这项工作并在合作组审核发表之后正式完成结题，因此后续会继续工作，补充完善本报告。..同时在本项目的支持下，项目参与人还参与了其他几项相关工作，也取得了一定的进展和成果。