超级神冈探测器上的大气类轴子粒子

我们考虑一种轻于两倍缪子质量的缪子亲和类轴子粒子（axion-like-particle, ALP），记为 $a$。该质量区间的 ALP 主要通过三角形缪子圈诱导衰变为一对光子。此类轻的缪子亲和 ALP 天然具有长寿命。在大气中，ALP 由空气簇射中的带电介子衰变（如 $\pi^\pm \to \mu^\pm \nu a$）通过 ALP-缪子耦合 $g_{a\mu\mu}$ 大量产生。在传播数十公里后，ALP 在地球表面附近的大体积切伦科夫探测器（如超级神冈（SK））内以 $a\to \gamma \gamma$ 衰变。我们发现，在当前 SK 观测下，假设适当衰变长度 $c\tau_a$ 处于 [$10^{-3}$ km, $10^6$ km] 且无论依赖于或不依赖于 $g_{a\mu\mu}$，可对质量区间 [1 MeV, 30 MeV] 与 ALP-缪子耦合 $[10^{-3}$, $10^{2}]$ 的缪子亲和 ALP 给出限制。我们得出结论：此类奇异态的大气搜寻可补充对撞机、束流靶实验以及天体物理探测手段。