近日，我校物理学院粒子物理与原子核物理实验室在探索超出标准模型的新物理研究方面取得新进展。研究团队提议在正负电子对撞机上进行电子-光子对撞实验，探测类轴子（axionlike particle, ALP）诱导的带电轻子味破坏（charged lepton flavor violation, cLFV)过程。相关研究成果以“Same-sign dimuon probe of charged lepton flavor violation at electron–photon colliders”为题发表于《Chinese Physics Letters》。
作为描述微观粒子及其相互作用规律的理论框架，粒子物理标准模型已经取得巨大成功。然而，中微子质量、暗物质存在以及宇宙物质–反物质不对称等重要问题均预示着标准模型之外存在新的物理规律。其中，带电轻子味破坏过程由于标准模型中的贡献极其微弱，一旦被实验观测，即成为新物理存在的重要证据。ALP是一类重要的新物理候选粒子，广泛存在于超出标准模型的理论模型中。ALP可能与标准模型轻子存在耦合，这些耦合可能是轻子味非对角的，从而引起带电轻子味破坏现象。
本研究提出利用激光康普顿背散射（laser Compton backscattering, LCB）技术在正负电子对撞机上产生电子–光子对撞，并通过寻找特殊的同号双缪子末态：γ e−→ e+µ−µ−,实现对ALP电子–缪子味破坏耦合的高灵敏探测。所涉及到的信号过程费曼图如图1所示。
该过程主要通过电子–光子碰撞产生在壳ALP，随后ALP衰变，引起同号双缪子信号。由于标准模型不存在能够在部分子层级产生该特殊末态的不可约背景，因此该信号具有非常干净的实验特征。
图1.电子–光子对撞过程中在壳类轴子a产生及衰变、引起同号双缪子信号的费曼图。
研究团队系统分析了北京正负电子对撞机II（BEPCII）上的北京谱仪III实验（BESIII）、未来超级陶粲装置（STCF）、环形正负电子对撞机（CEPC）以及国际直线对撞机（ILC）等实验平台中的电子–光子碰撞方案。研究表明，通过利用激光康普顿背散射产生高能光子束，未来实验装置能够有效拓展轻子味破坏新物理的探测能力。特别地，STCF、CEPC以及ILC等未来对撞机利用电子–光子碰撞模式，可以将ALP电子–缪子味破坏耦合的探测灵敏度提高到现有限制以下1–2个数量级，覆盖大块此前尚未探索的参数空间（图2）。
合肥工业大学为论文的唯一署名单位，物理学院博士研究生张忠为第一作者，张宇副教授和王泽人副研究员为共同通讯作者。
该系列研究工作得到了国家自然科学基金、合肥工业大学中央高校基本科研业务费、合肥工业大学人才引进条件建设费等项目的资助。
图2. BESIII、STCF、CEPC以及ILC对类轴子轻子味破坏耦合常数的限制。
文章链接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0256-307X/43/8/080201
（王泽人/文 王泽人/图 崔健/审核）
责任编辑：程婷婷
