Тепловые модели темной материи с массами частиц ниже электрослабого масштаба могут дать объяснение наблюдаемой плотности реликтовой темной материи. Это означало бы существование нового «слабого» (feeble) взаимодействия между темной и обычной материей. Основная цель эксперимента NA64 это поиск частиц темной материи с массой менее ГэВ, используя метод недостающей энергии. Поиски проводятся на канале H4 SPS в ЦЕРНе с пучком электронов с энергией 100 ГэВ. К настоящему времени проанализирована аккумулированная в 2016 – 2022 гг статистика, которая соответствует 9.37∙1011 электронов на мишени (РOT). Это позволило впервые исследовать область параметрического пространства, характерную для тепловых скалярных и фермионных моделей темной материи. За 2023 год дополнительно набрана статистика примерно 6∙1011. В дополнение к основным измерениям на пучке электронов с энергией 100 ГэВ, NA64 также разрабатывает программу позитронного пучка с несколькими сеансами при разных энергиях, чтобы исследовать возможность рождения частиц легкой темной материи в процессе резонансной e+e-аннигиляции через медиатор с массой примерно 100 МэВ (проект POKER). Разрабатывается также проект модификации детектора NA64 для поиска темной материи с пучком мюонов, получивший название NA64mu. NA64 выполнил и планирует также исследования, нацеленные на поиск аксионо-подобных частиц, X-бозона, распадающегося на е+е-, поиск частиц темной материи в адронных пучках, µ-τ конверсии.
Recent results and plans of the NA64 experiment at the CERN SPS
M.M. Kirsanov (INR RAS)
Thermal dark matter models with particle masses below the electroweak scale can provide an explanation for the observed relic dark matter density. This would imply the existence of a new feeble interaction between the dark and ordinary matter. The main purpose of the NA64 experiment is a search for sub-GeV dark matter production using the method of missing energy signature. The searches are performed at the H4 beam line at the CERN SPS. This line is mainly designed to provide 100 GeV electron beam. The analyzed statistics corresponds to $9.37\times10^{11}$ electrons on target (EOT) collected during 2016-2022 runs. The analysis of this statistics allowed us to probe for the first time the well motivated region of parameter space of benchmark thermal scalar and fermionic dark matter models. Additional statistics of about $6\times10^{11}$ was collected in the 2023 run. In addition to the main 100 GeV electron-beam measurement, NA64 is also developing a positron-beam program with several runs at different energies, to explore the ~ 100 MeV mediator mass range by exploiting LDM production via resonant $e^+e^-$ annihilation. This search is also supported by a dedicated ERC project, the "POsitron resonant annihilation intO dark mattER" (POKER) project, lead by INFN-Genova. An early test run already demonstrated the feasibility of the new technique, allowing to set competitive new limits in a limited mass region despite the much lower accumulated statistics.
The variant of the NA64 detector for the searches of DM in the muon beam, called NA64mu, is also developed. It uses part of subdetectors of NA64e and a number of additional subdetectors. The purpose is to search for DM coupled only to second and third generations of leptons, suggested to explain the (g-2) anomaly and to improve sensitivity in the region of mediator masses above ~300 MeV. NA64 performed and plans also a number of other searches, such as the search for ALP coupled to gammas, search for X boson decaying to electrons, search of DM in the hadron beams, search for mu - tau conversion.
PNPI