Recentemente, il team di NA64 ha iniziato a utilizzare un fascio di muoni proveniente dall'SPS per cercare nuove particelle che interagiscono prevalentemente con i muoni (versioni più pesanti dell'elettrone) e potrebbero spiegare simultaneamente l'enigma di lunga data del momento magnetico anomalo del muone e della materia oscura. (DM) problema. I loro primi risultati furono accettati nella rivista Physical Review Letters l'8 aprile.

In questo articolo, la collaborazione NA64 stabilisce nuovi limiti sullo spazio dei parametri disponibili:la finestra in cui i ricercatori potrebbero trovare un ipotetico accoppiamento del bosone oscuro Z' solo con muoni e tauoni per determinati valori della sua massa e forza di accoppiamento.

Nel cosiddetto modello vanilla, la Z' può decadere solo in neutrini e potrebbe fornire una spiegazione dell'anomalo puzzle del momento magnetico del muone. Tuttavia, nei modelli estesi, può anche decadere nei candidati DM. Ciò risolverebbe il problema del DM prevedendo la densità osservata dei residui di DM creati nell'universo primordiale.

Con questi risultati, la collaborazione NA64 dimostra il grande potenziale dei fasci di muoni nelle ricerche sulla materia oscura e in futuri nuovi scenari fisici preferibilmente accoppiati ai muoni.

"La diffusione dei muoni dai nuclei del bersaglio potrebbe produrre un ipotetico bosone oscuro Z', seguito dal suo decadimento invisibile in una coppia di neutrini o in una coppia di candidati per la materia oscura, a seconda del modello sottostante", spiega il vice coordinatore tecnico Laura Molina Buono. "La firma di questa produzione sarebbe la mancanza di energia e slancio nei nostri rilevatori."

Per cercarlo, un fascio di muoni terziari da 160 GeV derivato dal fascio di protoni primari dell'SPS viene sparato su un calorimetro elettromagnetico che funge da bersaglio attivo. Gli sperimentali poi cercano eventi in cui un muone nello stato finale ha una quantità di moto inferiore a 80 GeV senza attività rilevabile nei calorimetri a valle.

Poiché nella regione del segnale prevista non è stato osservato alcun evento corrispondente a queste condizioni, i ricercatori sono stati in grado di escludere questa regione e concludere che, per il primo modello, l'unica finestra di massa possibile per un bosone oscuro Z' per spiegare l'anomalia del muone g-2 va da 6 MeV fino a 40 MeV.

I loro risultati indicano anche che la materia oscura termica leggera accoppiata al modello standard tramite una (Lmu-Ltau) Z' non può essere più pesante di 40 MeV.

NA64 è tra i primi esperimenti alla ricerca di settori oscuri debolmente accoppiati ai muoni. Gli sperimentali sono fiduciosi che in futuro riusciranno a coprire lo spazio dei parametri disponibili utilizzando intensità di fascio più elevate.

"L'uso di un fascio di muoni apre una nuova finestra per esplorare altri nuovi scenari fisici ben motivati, come modelli di riferimento di fotoni oscuri, portali scalari, particelle millicariche o processi che violano il sapore leptonico", conclude il co-portavoce di NA64 Paolo Crivelli.