LHC实验中的非弹性暗物质探索：ATLAS, CMS等

"这篇论文探讨了在大型强子对撞机(LHC)生命周期前沿的非弹性暗物质搜寻，特别关注了ATLAS、CMS、LHCb、CODEX-b、FASER和MATHUSLA等实验项目。作者Asher Berlin和Felix Kling指出，尽管在束流收集、固定目标和对撞机实验中已经广泛搜索了长寿命隐藏扇区粒子的可见信号，但若这些隐藏扇区与标准模型的耦合是通过大于10 GeV的介体实现的，它们在低能加速器上的生产会受到运动学抑制，这意味着仍存在未探索的参数空间。" 正文: 非弹性暗物质模型是现代物理学研究的一个重要方向，因为暗物质是宇宙中能量密度的重要组成部分，但其性质和起源仍然是未解之谜。这篇研究深入探讨了在LHC环境下，如何通过非弹性过程寻找暗物质的线索。LHC是目前全球最大的粒子对撞机，能够模拟宇宙早期的极端条件，以研究基本粒子和相互作用。 在标准模型之外，理论物理学家提出了隐藏扇区的概念，这是一个可能包含暗物质的新物理领域。这些隐藏扇区的粒子可以通过轻介子与标准模型粒子相互作用，但若介子的质量远大于10 GeV，这种交互就会变得非常罕见，使得在常规实验中难以探测到。这篇论文的创新之处在于，它考虑了在这种情况下，如何在LHC的不同实验装置中寻找暗物质的迹象。 ATLAS、CMS和LHCb是LHC的主要探测器，用于研究高能碰撞事件，而CODEX-b、FASER和MATHUSLA则是专门设计用来探测长寿命粒子和暗物质衰变的独特实验。例如，CODEX-b利用LHC的束流丢弃来寻找新物理信号，FASER则利用LHC的尾流来探测轻粒子，MATHUSLA则是一个高海拔的大型实验，旨在捕捉可能在LHC对撞中产生的超长寿命粒子。 在非弹性暗物质模型中，暗物质粒子可以通过暗光子衰变产生，暗光子的质量范围大约在1-100 GeV之间，这与宇宙学上的预期相吻合。这些GeV尺度的暗物质粒子可以在LHC的高能碰撞中产生，并被实验设备探测到。作者还提供了详细的计算，涉及到辐射暗物质与核子或电子的弹性散射截面，这对于理解直接探测实验中的预期信号率至关重要。 这篇研究不仅提供了新的分析方法，也对未来的实验设计提供了指导，以期在不断缩小的参数空间内揭示出暗物质的神秘面纱。通过这样的工作，科学家们希望能够在更深层次上理解宇宙的结构和演化，以及我们所知的标准模型之外的物理世界。