Поиск легкой темной материи и проявлений темного сектора на ускорителе SPS СERN в эксперименте NA64
Searching for Light Dark Matter and Dark Sectors with the NA64 experiment at the CERN SPS

Дополнительно

Прислана: 16.02.2026; Принята: 22.05.2026; Опубликовано 19.06.2026;
Просмотры: 0; Загружено: 0

Как цитировать

Ю. М. Андреев и др. "Searching for Light Dark Matter and Dark Sectors with the NA64 experiment at the CERN SPS" Natural Sci. Rev. 3 200708 (2026)
https://doi.org/10.54546/NaturalSciRev.200708
BibTex
Ю. М. Андреев1, А. Антонов2, М. А. Айала Торрес3,4, Д. Банерджи5, Б. Банто Оберхаузер6, В. Баутин7, Дж. Бернхард5, П. Бисио2,8, А. Челентано2
Н. Харитонидис5, П. Кривелли6, А. В. Дерменев1, С. В. Донсков1, Р. Р. Дусаев1, В. Н. Фролов7, С. В. Герценбергер7, С. Гирод5, С. Н. Гниненко1, А. В. Иванов7, Ы. Камбар7, А. Е. Карнеев1, Г. Д. Кекелидзе7, Б. Кетцер9, Д. В. Кирпичников1, М. М. Кирсанов1, В. А. Крамаренко1,7, Н. В. Красников1,7, С. В. Кулешов3,4, В. Е. Любовицкий4, А. Марини2, Л. Марсикано2, В. А. Матвеев7, Р. Мена Фредес4, Р. Мена Янссен4,10, Л. Молина Буэно11, М. Монгильо6, Д. В. Пешехонов7, В. А. Поляков1, В. Радикс12, К. М. Саламатин11, В. Д. Самойленко1, Х. Зибер6, Д. А. Щукин1, О. Сото4,13, В. О. Тихомиров1, И. В. Тлисова1, А. Н. Торопин1, М. Тузи11, П. В. Волков1,7, И. В. Ворончихин1, Ж. Замора-Саа3,4, А. С. Жевлаков7
  • 1Авторы, работающие в институте, на который распространяется соглашение о сотрудничестве с ЦЕРН
  • 2Национальный институт ядерной физики, Отделение в Генуе, 16147, Генуя, Италия
  • 3Центр теоретической и экспериментальной физики частиц, факультет точных наук, Университет Андреса Белло, Фернандес Конча, 700, Сантьяго, Чили
  • 4Институт субатомной физики тысячелетия на границе высоких энергий (SAPHIR), Фернандес Конча, 700, Сантьяго, Чили
  • 5ЦЕРН, Европейская организация по ядерным исследованиям, CH-1211, Женева, Швейцария
  • 6Швейцарская высшая техническая школа Цюриха, Институт физики элементарных частиц и астрофизики, CH-8093, Цюрих, Швейцария
  • 7Авторы, работающие в международной лаборатории, на которую распространяется соглашение о сотрудничестве с ЦЕРН
  • 8Университет Генуи, 16126, Генуя, Италия
  • 9Институт радиационной и ядерной физики им. Гельмгольца при Боннском университете, 53115, Бонн, Германия
  • 10Технический университет Федерико Санта-Мария и Научно-технологический центр Вальпараисо, 2390123, Вальпараисо, Чили
  • 11Институт корпускулярной физики (CSIC/UV), улица Хосе Бельтрана Мартинеса, 2, 46980 Патерна, Валенсия, Испания
  • 12Кафедра физики и астрономии Йоркского университета, Торонто, Онтарио, Канада
  • 13Кафедра физики, факультет естественных наук, Университет Ла Серены, Авенида Цистернас 1200, Ла Серена, Чили
DOI: 10.54546/NaturalSciRev.200708
Ключевые слова: легкая темная материя, темный фотон
Категории: Физика , Физика высоких энергий (эксперимент)
PDF (Английский)

Аннотация

С момента своего старта в 2016 году эксперимент NA64 положил начало поискам легкой темной материи (ЛТМ) с помощью электронных [1], позитронных [2], мюонных [3] и адронных [4] пучков. Эксперимент успешно выполнил основные задачи, изложенные в отчете Европейской стратегии по физике частиц за 2018 год, и даже превзошел их, получив результаты, демонстрирующие способность работать в практически бесфоновом режиме. В рамках инициативы ЦЕРНа "Физика за пределами коллайдера" (Physics Beyond Collider) вклад NA64 признан взаимодополняющим и заслуживающим дальнейшего продолжения. Главное преимущество этого метода по сравнению с подходами, основанными на beam-dump пучка, заключается в том, что вероятность появления сигнала пропорциональна (константа связи)2, а не (константа связи)4, что уменьшает требуемое пучковое время для достижения той же чувствительности.

Чтобы в полной мере использовать физический потенциал NA64, проведенное во время LS3 обновление позволит NA64 работать практически в бесфоновом режиме при более высокой интенсивности пучков SPS. Запланированные модернизации включают (а) улучшение герметичности установки с помощью нового адронного калориметра вето, (б) улучшение идентификации частиц благодаря модернизации детектора синхротронного излучения и (в) возможность увеличения интенсивности за счет модернизированной электроники.

Коллаборация NA64 продолжит набор и анализ данных в сеансах которые начнутся после апгрейда Большого адронного коллайдера. Ожидаемое количество зарегистрированных электронов (∼1013), позитронов (∼1011) (40 и 60 ГэВ) и мюонов (∼2×1013) на мишени позволит NA64 исследовать новые кинематические области поиска легкой темной материи, что может привести к открытию или окончательному исключению большинства хорошо обоснованных моделей легкой темной материи.

Библиографические ссылки

[1] Yu. M. Andreev et al., Search for light dark matter with NA64 at CERN, Phys. Rev. Lett. 131 (16) (2023) 161801. arXiv:2307.02404, doi:10.1103/PhysRevLett.131.161801.

[2] Yu. M. Andreev et al., Probing light dark matter with positron beams at NA64, Phys. Rev. D 109 (3) (2024) L031103. arXiv:2308.15612, doi:10.1103/PhysRevD.109.L031103.

[3] Yu. M. Andreev et al., First results in the search for dark sectors at NA64 with the CERN SPS high energy muon beam, Phys. Rev. Lett. 132 (21) (2024) 211803. arXiv:2401.01708, doi:10.1103/PhysRevLett.132.211803.

[4] Yu. M. Andreev et al., Dark-sector search via pion-produced η and η’ mesons decaying invisibly in the NA64h detector, Phys. Rev. Lett. 133 (12) (2024) 121803. doi:10.1103/PhysRevLett. 133.121803.

[5] G. Bertone, D. Hooper, History of dark matter, Rev. Mod. Phys. 90 (2018) 045002. doi:10.1103/RevModPhys.90.045002.

[6] J. L. Feng, Dark matter candidates from particle physics and methods of detection, Ann. Rev. Astron. Astrophys. 48 (2010) 495–545. arXiv:1003.0904, doi:10.1146/annurev-astro-082708-101659.

[7] N. Arkani-Hamed, D. P. Finkbeiner, T. R. Slatyer, N. Weiner, A theory of dark matter, Phys. Rev. D 79 (2009) 015014. arXiv:0810.0713, doi:10.1103/PhysRevD.79.015014.

[8] B. Holdom, Two U(1)’s and epsilon charge shifts, Phys. Lett. B 166 (1986) 196–198. doi:10.1016/0370-2693(86)91377-8.

[9] L. B. Okun, Limits of electrodynamics: paraphotons?, Sov. Phys. JETP 56 (1982) 502 [Zh. Eksp.Teor. Fiz. 83 (1982) 892].

[10] J. L. Feng, J. Kumar, The WIMPless miracle: Dark-matter particles without weak-scale masses or weak interactions, Phys. Rev. Lett. 101 (2008) 231301. arXiv:0803.4196, doi:10.1103/PhysRevLett.101.231301.

[11] P. deNiverville, M. Pospelov, A. Ritz, Observing a light dark matter beam with neutrino experiments, Phys. Rev. D 84 (2011) 075020. arXiv:1107.4580, doi:10.1103/PhysRevD.84.075020.

[12] E. Izaguirre, G. Krnjaic, P. Schuster, N. Toro, Analyzing the discovery potential for light dark matter, Phys. Rev. Lett. 115 (25) (2015) 251301. arXiv:1505.00011, doi:10.1103/PhysRevLett.115.251301.

[13] J. Jaeckel, A. Ringwald, The low-energy frontier of particle physics, Ann. Rev. Nucl. Part. Sci. 60 (2010) 405–437. arXiv:1002.0329, doi:10.1146/annurev.nucl.012809.104433.

[14] J. Beacham et al., Physics beyond colliders at CERN: Beyond the Standard Model working group report, J. Phys. G 47 (1) (2020) 010501. arXiv:1901.09966, doi:10.1088/1361-6471/ab4cd2.

[15] M. Fabbrichesi, E. Gabrielli, G. Lanfranchi, The dark photon, May 2020. arXiv:2005.01515, doi:10.1007/978-3-030-62519-1.

[16] C. Antel et al., Feebly-interacting particles: FIPs 2022 Workshop Report, Eur. Phys. J. C 83 (12) (2023) 1122. arXiv:2305.01715, doi:10.1140/epjc/s10052-023-12168-5.

[17] D. Banerjee et al., Search for a hypothetical 16.7 MeV gauge boson and dark photons in the NA64 experiment at CERN, Phys. Rev. Lett. 120 (23) (2018) 231802. arXiv:1803.07748, doi: 10.1103/PhysRevLett.120.231802.

[18] D. Banerjee et al., Search for axionlike and scalar particles with the NA64 experiment, Phys. Rev. Lett. 125 (8) (2020) 081801. arXiv:2005.02710, doi:10.1103/PhysRevLett.125.081801.

[19] A. S. Zhevlakov, D. V. Kirpichnikov, V. E. Lyubovitskij, Implication of the dark axion portal for the EDM of fermions and dark matter probing with NA64e, NA64µ, LDMX, M3, and BaBar, Phys. Rev. D 106 (3) (2022) 035018. arXiv:2204.09978, doi:10.1103/PhysRevD.106.035018.

[20] Yu. M. Andreev et al., Constraints on new physics in electron g − 2 from a search for invisible decays of a scalar, pseudoscalar, vector, and axial vector, Phys. Rev. Lett. 126 (21) (2021) 211802. arXiv:2102.01885, doi:10.1103/PhysRevLett.126.211802.

[21] C. Cazzaniga et al., Probing the explanation of the muon (g − 2) anomaly and thermal light dark matter with the semi-visible dark photon channel, Eur. Phys. J. C 81 (10) (2021) 959. arXiv:2107.02021, doi:10.1140/epjc/s10052-021-09705-5.

[22] M. Mongillo, A. Abdullahi, B. Banto Oberhauser, P. Crivelli, M. Hostert, D. Massaro, L. Molina Bueno, S. Pascoli, Constraining light thermal inelastic dark matter with NA64, Eur. Phys. J. C 83 (5) (2023) 391. arXiv:2302.05414, doi:10.1140/epjc/s10052-023-11536-5.

[23] Yu. M. Andreev et al., Search for a new B−L Z′ gauge boson with the NA64 experiment at CERN, Phys. Rev. Lett. 129 (16) (2022) 161801. arXiv:2207.09979, doi:10.1103/PhysRevLett.129. 161801.

[24] Yu. M. Andreev et al., First constraints on the Lµ−Lτ explanation of the muon g−2 anomaly from NA64-e at CERN, JHEP 07 (2024) 212. arXiv:2404.06982, doi:10.1007/JHEP07(2024)212.

[25] S. Gninenko, S. Kovalenko, S. Kuleshov, V. E. Lyubovitskij, A. S. Zhevlakov, Deep inelastic e−τ and µ − τ conversion in the NA64 experiment at the CERN SPS, Phys. Rev. D 98 (1) (2018) 015007. arXiv:1804.05550, doi:10.1103/PhysRevD.98.015007.

[26] A. S. Zhevlakov, D. V. Kirpichnikov, V. E. Lyubovitskij, Lepton flavor violating dark photon, Phys. Rev. D 109 (1) (2024) 015015. arXiv:2307.10771, doi:10.1103/PhysRevD.109.015015.

[27] B. Radics, L. Molina-Bueno, L. Fields, H. Sieber, P. Crivelli, Sensitivity potential to a light flavor-changing scalar boson with DUNE and NA64µ, Eur. Phys. J. C 83 (2023) 775. doi: 10.1140/epjc/s10052-023-11891-3.

[28] A. Ponten, H. Sieber, B. B. Oberhauser, P. Crivelli, D. Kirpichnikov, S. N. Gninenko, M. H¨osgen, L. M. Bueno, M. Mongillo, A. Zhevlakov, Probing hidden leptonic scalar portals using the NA64 experiment at CERN, Eur. Phys. J. C 84 (10) (2024) 1035. doi:10.1140/epjc/s10052-024-13421-1.

[29] S. Gninenko, Addendum to the Proposal P348: Search for dark sector particles weakly coupled to muon with NA64µ, Tech. rep., CERN, Geneva, 2018. URL https://cds.cern.ch/record/2640930

[30] P. Bisio, M. Bondi, A. Celentano, A. Marini, L. Marsicano, and NA64 collaboration, Light dark matter search with positron beams at NA64, Tech. rep., CERN, Geneva, 2024. URL https://cds.cern.ch/record/2887649

[31] Yu. M. Andreev et al., Measurement of the intrinsic hadronic contamination in the NA64-e highpurity e+/e− beam at CERN, Nucl. Instrum. Meth. A 1057 (2023) 168776. arXiv:2305.19411, doi:10.1016/j.nima.2023.168776.

[32] S. N. Gninenko, Search for MeV dark photons in a light-shining-through-walls experiment at CERN, Phys. Rev. D 89 (7) (2014) 075008. arXiv:1308.6521, doi:10.1103/PhysRevD.89. 075008.

[33] S. Andreas et al., Proposal for an experiment to search for light dark matter at the SPS, arXiv:1312.3309 [hep-ph]1312.3309, December 2013. arXiv:1312.3309.

[34] Yu. M. Andreev et al., Search for pseudoscalar bosons decaying into e+e− pairs in the NA64 experiment at the CERN SPS, Phys. Rev. D 104 (11) (2021) L111102. arXiv:2104.13342, doi: 10.1103/PhysRevD.104.L111102.

[35] L. Marsicano, M. Battaglieri, M. Bond´ı, C. D. R. Carvajal, A. Celentano, M. De Napoli, R. De Vita, E. Nardi, M. Raggi, P. Valente, Novel way to search for light dark matter in lepton beam-dump experiments, Phys. Rev. Lett. 121 (4) (2018) 041802. arXiv:1807.05884, doi:10.1103/PhysRevLett.121.041802.

[36] I. Holst, D. Hooper, G. Krnjaic, Simplest and most predictive model of muon g−2 and thermal dark matter, Phys. Rev. Lett. 128 (14) (2022) 141802. arXiv:2107.09067, doi:10.1103/PhysRevLett.128.141802.

[37] Yu. M. Andreev et al., Search for a light Z’ in the Lµ-Lτ scenario with the NA64-e experiment at CERN, Phys. Rev. D 106 (3) (2022) 032015. arXiv:2206.03101, doi:10.1103/PhysRevD.106.032015.

[38] E. Izaguirre, Y. Kahn, G. Krnjaic, M. Moschella, Testing light dark matter coannihilation with fixed-target experiments, Phys. Rev. D 96 (5) (2017) 055007. arXiv:1703.06881, doi:10.1103/PhysRevD.96.055007.

[39] G. Mohlabeng, Revisiting the dark photon explanation of the muon anomalous magnetic moment,

Phys. Rev. D 99 (2019) 115001. doi:10.1103/PhysRevD.99.115001.

[40] S. N. Gninenko, N. V. Krasnikov, Leptonic scalar portal: Origin of muon g − 2 anomaly and dark matter?, Phys. Rev. D 106 (1) (2022) 015003. arXiv:2202.04410, doi:10.1103/PhysRevD.106.015003.

[41] L. Marsicano, M. Battaglieri, M. Bond´ı, C. D. R. Carvajal, A. Celentano, M. De Napoli, R. De Vita, E. Nardi, M. Raggi, P. Valente, Dark photon production through positron annihilation in beam-dump experiments, Phys. Rev. D 98 (1) (2018) 015031. arXiv:1802.03794,

doi:10.1103/PhysRevD.98.015031.

[42] A. Marini, A. Antonov, P. Bisio, M. Bond`ı, A. Celentano, L. Marsicano, Status and perspectives of the POKER detector for Dark Sector searches, Nucl. Instrum. Meth. A 1067 (2024) 169677. doi:10.1016/j.nima.2024.169677.

[43] S. N. Gninenko, Search for invisible decays of π0, η, η′, KS and KL: A probe of new physics and tests using the Bell–Steinberger relation, Phys. Rev. D 91 (1) (2015) 015004. arXiv:1409.2288, doi:10.1103/PhysRevD.91.015004.

[44] B. McElrath, Invisible quarkonium decays as a sensitive probe of dark matter, Phys. Rev. D 72 (2005) 103508. arXiv:hep-ph/0506151, doi:10.1103/PhysRevD.72.103508.

[45] B. Batell, A. Freitas, A. Ismail, D. Mckeen, Probing light dark matter with a hadrophilic scalar mediator, Phys. Rev. D 100 (9) (2019) 095020. arXiv:1812.05103, doi:10.1103/PhysRevD.100.095020.

[46] A. S. Zhevlakov, D. V. Kirpichnikov, S. N. Gninenko, S. Kuleshov, V. E. Lyubovitskij, Probing invisible vector meson decay mode with the hadronic beam in the NA64 experiment at SPS CERN, Phys. Rev. D 108 (11) (2023) 115005. arXiv:2309.09347, doi:10.1103/PhysRevD.108.115005.

[47] S. N. Gninenko, D. V. Kirpichnikov, S. Kuleshov, V. E. Lyubovitskij, A. S. Zhevlakov, Test of the vector portal with dark fermions in the charge-exchange reactions in the NA64 experiment at CERN SPS, Phys. Rev. D 109 (7) (2024) 075021. arXiv:2312.01703, doi:10.1103/PhysRevD.109.075021.

[48] S. N. Gninenko, N. V. Krasnikov, Invisible KL decays as a probe of new physics, Phys. Rev. D 92 (3) (2015) 034009. arXiv:1503.01595, doi:10.1103/PhysRevD.92.034009.

[49] M. Hostert, K. Kaneta, M. Pospelov, Pair production of dark particles in meson decays, Phys. Rev. D 102 (5) (2020) 055016. arXiv:2005.07102, doi:10.1103/PhysRevD.102.055016.

[50] S. N. Gninenko, N. V. Krasnikov, V. A. Matveev, Search for KS,L oscillations and invisible decays into the dark sector at NA64, Natural Sci. Rev. 1 (2024) 5, arXiv:2501.09772 [hep-ph]. arXiv:2501.09772.

[51] S. N. Gninenko, N. V. Krasnikov, Search for mirror hidden sector with neutral kaons at NA64, arXiv:2503.22499 [hep-ph], March 2025. arXiv:2503.22499.

[52] B. Bertoni, S. Ipek, D. McKeen, A. E. Nelson, Constraints and consequences of reducing small scale structure via large dark matter–neutrino interactions, JHEP 04 (2015) 170. arXiv:1412.3113, doi:10.1007/JHEP04(2015)170.

[53] S. N. Gninenko, N. V. Krasnikov, V. A. Matveev, Muon g − 2 and searches for a new leptophobic sub-GeV dark boson in a missing-energy experiment at CERN, Phys. Rev. D 91 (2015) 095015. arXiv:1412.1400, doi:10.1103/PhysRevD.91.095015.

[54] Yu. M. Andreev et al., Shedding light on dark sectors with high-energy muons at the NA64 experiment at the CERN SPS, Phys. Rev. D 110 (11) (2024) 112015. arXiv:2409.10128, doi: 10.1103/PhysRevD.110.112015.

[55] C.-Y. Chen, J. Kozaczuk, Y.-M. Zhong, Exploring leptophilic dark matter with NA64-µ, JHEP 10 (2018) 154. arXiv:1807.03790, doi:10.1007/JHEP10(2018)154.

[56] Y. Kahn, G. Krnjaic, N. Tran, A. Whitbeck, M3: A new muon missing momentum experiment to probe (g − 2)µ and dark matter at Fermilab, JHEP 09 (2018) 153. arXiv:1804.03144, doi: 10.1007/JHEP09(2018)153.

[57] M. Solt, LDMX: The Light Dark Matter eXperiment and M3: The muon missing momentum experiment, Phys. Sci. Forum 8 (1) (2023) 17. doi:10.3390/psf2023008017.