在质子束流屏蔽谱仪中对嗜μ子粒子的新搜索

我们引入了一种新的搜索策略，用于利用以费米实验室 SpinQuest 实验为原型的质子束谱仪寻找可见衰变的嗜μ子粒子。在该设置中，一束 ${\sim}$100 GeV 的初级质子束轰击厚固定靶，产生次级 μ 子束。当这些 μ 子穿过靶材料时，它们与原子核散射，并可以作为初态和末态辐射辐射性地产生假想的嗜μ子粒子。如果此类新态衰变为双 μ 子，则可以在浸入特斯拉级磁场中的下游谱仪中测量它们的不变质量。对于一个具有 $3\times 10^{14}$ 个打靶 μ 子、典型能量为 $\sim$ 20 GeV、$15\%$ 不变质量分辨率以及 100 cm 有效靶长的代表性设置，该策略可以探测整个参数空间，其中 $\sim$ 200 MeV -- GeV 的标量粒子能够解释 μ 子 $g-2$ 异常。我们展示了在 SpinQuest 实验中对这些标量粒子的灵敏度，该实验无需额外硬件，并且可以在初级核物理项目内寄生执行。未来具有优化束流和探测器配置的质子束流屏蔽实验可能具有更高的灵敏度。