在BESIII上通过J/ψ->U l+l-衰变过程对质量在1GeV以下暗光子的寻找与研究

Dark matter search is one of the great challenges in the field of particle physics and astrophysics, while the study of the U(1) gauge boson, also called dark photon with the mass scale in MeV/c^2 and GeV/c^2, which acts as a messenger particle of a hypothetical Dark Sector with residual interaction to the Standard Model, is one of the experimental hot topics. Base on the data sample of 0.45 billion ψ(3686) events collected with BESIII detector, we will explore the light dark photon with the mass below 1GeV/c^2 through the decays J/ψ->l+l-l+l-（including three channels：e+e-e+e-、e+e-mu+mu-和mu+mu-mu+mu-）. Here, the J/ψ production is from the decay of ψ(3686)->pi+pi- J/ψ. Comparing to the fixed-target experiments and B-factory, BESIII experiment has the advantages of higher luminosity and lower background level, respectively, thus we expect to get the comparable precision on the limit of the kinetic mixing strength. Furthermore, we will first measure the branching fractions of three decays in order to verify the QED calculation and test the lepton universality.

暗物质的寻找是当今粒子物理和天体物理研究的重大挑战之一，而理论假设存在的质量能标在MeV/c^2至GeV/c^2之间的连接暗物质和标准模型粒子之间的U(1)规范玻色子-暗光子也成为了当前实验研究的热点。基于BESIII探测器采集的4.5亿psi(3686)数据，我们将通过J/ψ->l+l-l+l-（包含三个道：e+e-e+e-、e+e-mu+mu-和mu+mu-mu+mu-）过程来寻找质量在1GeV/c^2以下的轻暗光子，其中J/ψ来自ψ(3686)->pi+pi- J/ψ衰变。与固定靶实验和B-工厂相比，BESIII实验分别具有亮度高和本底水平低的优势，所以我们预期将得到和其它实验精度相当的暗光子混合强度限制。同时，我们将首次精确测量这三个道的衰变分支比，以检验量子色动力学的计算和验证轻子普适性。

轻子普适性检验是当今粒子物理研究的热点。基于BESIII探测器采集的4.5亿ψ(3686)数据，我们通过ψ(3686)→pi pi J/ψ衰变过程首次观测到：J/ψ→e+e-e+e-和J/ψ→e+e-mu+mu-四轻子末态衰变过程，并测量了这两个过程的衰变分支比。我们测量到的衰变分支比与理论计算结果有显著差别，其中隐藏的物理机制有待理论学家和更多的实验结果来揭示。我们没有观测到J/ψ→mu+mu-mu+mu-衰变过程，只给出了该过程的衰变分支比上限。利用测量到的这三个过程的衰变分支比，我们对轻子普适性进行了检验。我们还尝试在前两个过程中寻找可能的CP破坏，但是没有发现CP破坏的迹象。相关研究结果已经总结成文，并发表在arXiv上。. 受益于本项目的支持，我们还完成了以下BESIII实验相关的工作：(1) 超子半轻衰变过程Lambda→p mu- nv_mu-bar的首次绝对分支比测量，该结果发表在PRL 127, 121802 (2021)； (2) 首次观测到双Cabibbo压低的衰变过程 D+→K+pi+pi-pi0，该结果发表在PRL 125, 141802 (2020)； (3) 通过tau+→e+ nv_e nv_tau-bar重建tau+来测量Ds+→tau+ nv_tau的绝对分支比，该结果发表在PRL 127, 171801 (2021)；(4) 寻找半轻衰变过程D0(+)→b1(1235)e+ nv_e，该结果发表在PRD 102, 112005 (2020)；(5)系统研究重味介子的半轻子衰变过程，文章发表在JHEP 02 (2021) 179。