New physics searches in the MeV-GeV mass range

Abstract

The search for light dark-sector particles in the MeV–GeV mass range has intensified over the past decade, driven by astrophysical evidence for dark matter, the strong CP problem, and persistent anomalies in particle physics—most notably the historical tension surrounding the muon anomalous magnetic moment, (g-2)_\mu. Together, these factors have stimulated a broad experimental program aimed at probing hidden-sector scenarios and exploring Beyond the Standard Model physics in a previously underexplored MeV--GeV region of parameter space.

A particularly well-motivated class of dark-sector candidates consists of axion-like particles, which generalize the canonical QCD axion by decoupling the strict mass-coupling relationship, allowing them to appear across a broader mass spectrum without necessarily addressing the strong CP problem. Arising naturally in many extensions of the Standard Model, these pseudoscalar states serve as prominent targets for low-energy precision probes.

In this thesis, constraints on the masses and couplings of ALPs and light scalar particles to photons and leptons are systematically derived. By utilizing data from current electron-positron collider experiments, such as BESIII and Belle II, and combining it with the most recent theoretical and experimental evaluations of lepton anomalous magnetic moments, the importance of a multi-coupling framework is demonstrated. A non-trivial interplay between leptonic and photonic interactions is revealed, showing that neglecting this dynamics can significantly obscure the true experimental bounds.

Furthermore, while existing high-energy collider experiments probe large portions of the sub-GeV parameter space, a persistent sensitivity gap in the mass range from a few to several hundred MeV is identified, primarily driven by the kinematic challenges of resolving highly collimated photon pairs. It is demonstrated that this gap can be effectively addressed by near-future, high-precision facilities. Specifically, the projected sensitivity of the MAGIX@MESA experiment, which operates below the hadroproduction threshold to provide a uniquely clean and well-controlled environment for direct BSM searches, is evaluated.

Complementary to this, a proposed Jefferson Lab program utilizing polarized positron scattering is explored. By exploiting novel polarization-dependent observables, such as the beam-normal single-spin asymmetry, it is shown how the helicity-conserving Standard Model background can be efficiently suppressed and how specific mediator spin structures can be disentangled. This framework is also extended to include vector and axial vector mediators, such as dark photons, thereby establishing a robust roadmap for discovering weakly coupled dark sector particles in the MeV--GeV mass range.

Die Suche nach leichten Teilchen des dunklen Sektors im Massenbereich von MeV bis GeV wurde im vergangenen Jahrzehnt intensiviert, was durch astrophysikalische Hinweise auf Dunkle Materie, das starke CP-Problem und anhaltende Anomalien in der Teilchenphysik – allen voran die historische Diskrepanz rund um das anomale magnetische Moment des Myons, (g-2)_\mu – vorangetrieben wurde. Zusammen wurde durch diese Faktoren ein breit angelegtes experimentelles Programm angeregt, welches darauf ausgerichtet ist, Hidden-Sector-Szenarien zu untersuchen und Physik jenseits des Standardmodells in einer zuvor wenig erforschten MeV–GeV-Region des Parameterraums zu erkunden.

Eine besonders gut motivierte Klasse von Kandidaten des dunklen Sektors wird von axionartigen Teilchen (ALPs) gebildet. Durch diese wird das kanonische QCD-Axion verallgemeinert, indem die strikte Beziehung zwischen Masse und Kopplung entkoppelt wird. Dadurch wird es ihnen ermöglicht, über ein breiteres Massenspektrum hinweg aufzutreten, ohne notwendigerweise das starke CP-Problem zu lösen. Da sie natürlicherweise in vielen Erweiterungen des Standardmodells entstehen, werden diese pseudoskalaren Zustände als prominente Ziele für niederenergetische Präzisionsuntersuchungen betrachtet.

In dieser Arbeit werden Einschränkungen für die Massen und Kopplungen von ALPs und leichten skalaren Teilchen an Photonen und Leptonen systematisch abgeleitet. Durch die Nutzung von Daten aktueller Elektron-Positron-Collider-Experimente wie BESIII und Belle II und deren Kombination mit den neuesten theoretischen und experimentellen Auswertungen der anomalen magnetischen Momente von Leptonen wird die Wichtigkeit eines Rahmenwerks multipler Kopplungen demonstriert. Ein nicht-triviales Zusammenspiel zwischen leptonischen und photonischen Wechselwirkungen wird aufgedeckt, wodurch gezeigt wird, dass die wahren experimentellen Grenzen erheblich verschleiert werden können, wenn diese Dynamik vernachlässigt wird.

Darüber hinaus wird – während weite Teile des Sub-GeV-Parameterraums durch existierende Hochenergie-Collider-Experimente untersucht werden – eine anhaltende Sensitivitätslücke im Massenbereich von wenigen bis mehreren hundert MeV identifiziert, welche primär durch die kinematischen Herausforderungen bei der Auflösung stark kollimierter Photonenpaare verursacht wird. Es wird demonstriert, dass diese Lücke durch hochpräzise Anlagen der nahen Zukunft effektiv geschlossen werden kann. Spezifisch wird die prognostizierte Sensitivität des MAGIX@MESA-Experiments evaluiert, welches unterhalb der Hadronenproduktionsschwelle betrieben wird, um eine einzigartig saubere und gut kontrollierte Umgebung für direkte BSM-Suchen bereitzustellen.

Ergänzend dazu wird ein am Jefferson Lab vorgeschlagenes Programm untersucht, bei dem polarisierte Positronenstreuung genutzt wird. Durch die Ausnutzung neuartiger polarisationsabhängiger Observablen, wie der strahlnormalen Einzelspin-Asymmetrie, wird gezeigt, wie der helizitätserhaltende Untergrund des Standardmodells effizient unterdrückt und wie spezifische Spin-Strukturen von Mediatoren entwirrt werden können. Dieses Konzept wird zudem dahingehend erweitert, dass Vektor- und Axialvektor-Mediatoren, wie etwa dunkle Photonen, einbezogen werden, wodurch ein robuster Fahrplan für die Entdeckung schwach gekoppelter Teilchen des dunklen Sektors im Massenbereich von MeV bis GeV etabliert wird.