寻找重型QCD轴子：一项新的实验突破

你可能听说过轴子，它是一种假想的粒子，被认为可以解决强相互作用的CP问题。简单地说，这个问题就是为什么强相互作用没有违反CP对称性，即物质和反物质之间的对称性。轴子的存在可以使得强相互作用的CP破坏参数非常小，从而与实验观测一致。

轴子有很多种类，其中一种是QCD轴子，它与量子色动力学（QCD）有关，即描述夸克和胶子之间的强相互作用的理论。QCD轴子的质量和衰变常数之间有一个反比关系，即质量越大，衰变常数越小。衰变常数决定了轴子与其他粒子之间的耦合强度，也就是说，衰变常数越小，轴子越难被探测到。

目前，大多数实验都在寻找质量很小（小于1电子伏特）的QCD轴子，因为它们可以解释暗物质的起源。然而，也有一些理论模型预测了质量较大（大于100兆电子伏特）的QCD轴子，它们可以解决轴子质量问题和轴子品质问题。这些问题涉及到轴子在高能物理中的自然性和稳定性。质量较大的QCD轴子可以通过与其他粒子相互作用产生，并且可以衰变成两个轻子（如电子或μ子）。

最近，一个名为ArgoNeuT的实验在费米国家实验室进行了一次前所未有的探测重型QCD轴子的尝试。该实验利用了NuMI中微子束线上的液氩时间投影室探测器和MINOS近探测器的独特能力，来寻找从中微子束靶和吸收器产生并衰变成μ μ−对的重型QCD轴子。该实验覆盖了一个之前未被探索过的重型QCD轴子参数空间区域，即质量在0.2-0.9 GeV之间，衰变常数在几十TeV左右。

研究人员利用了2010年2月至2010年9月期间收集的数据，对重QCD轴子进行了搜索。他们首先根据理论模型生成了不同质量和衰变常数的重QCD轴子，并模拟了它们在探测器中的衰变信号。然后，他们根据一系列选择标准，从数据中筛选出可能是由重QCD轴子衰变产生的候选事件。这些标准包括：两个μ子径迹必须在ArgoNeuT或MINOS探测器内开始，并且不能与其他粒子相互作用；两个μ子必须具有相反电荷；两个μ子的不变质量必须与假设的轴子质量一致；两个μ子的总动量必须与假设的轴子动量一致；两个μ子必须与束流方向夹角小于10度。经过这些选择标准后，作者没有发现任何候选事件，这意味着数据与没有轴子存在的假设一致。

研究人员进一步估计了数据中可能存在的背景事件，即由其他粒子（如π0，K0，η等）衰变产生的类似信号。他们考虑了两种主要的背景来源：一种是来自束流中的中微子和反中微子与探测器内原子核相互作用产生的中性介子；另一种是来自束流中的μ子与探测器内原子核相互作用产生的荷电介子。他们利用蒙特卡罗模拟和实验数据来评估这些背景的贡献，并发现它们都非常小，远低于一个事件的水平。

最后，研究人员利用贝叶斯统计方法，根据数据中没有发现候选事件的事实，给出了重QCD轴子的新限制。他们考虑了系统误差的影响，并给出了95%置信水平下的轴子衰变常数和质量之间的关系。他们发现，对于0.2-0.9 GeV之间的轴子质量，他们可以排除几十TeV左右的轴子衰变常数。这是对这一质量范围内重QCD轴子的首次限制，也是目前最强的限制之一。这一结果为未来利用LArTPC探测器对重QCD轴子进行更深入的探索提供了重要的参考。