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暗物质和最小cascade seesaw模型的唯象研究

丁然  
【摘要】:粒子暗物质和非零中微子质量是存在新物理的强烈证据。本论文就这两个课题的唯象学研究做了一些探讨。 论文的第一部分阐述暗物质的唯象研究。众所周知,宇宙中约占80%的物质组分为暗物质。然而,到目前为止我们对暗物质粒子的来源还没有定论。众多超越标准模型的理论都给出了暗物质粒子的候选者。在系统介绍了暗物质的理论背景和实验探测现状之后,我们考虑自旋3/2粒子作为暗物质候选者。利用有效场论方法,我们列出了所有可能的四费米子有效算符,然后研究了该模型给出的暗物质遗迹丰度,暗物质和核的弹性散射以及宇宙线中反质子/质子流强比等实验限制。利用现有的实验观测数据,我们对有效耦合常数和暗物质粒子质量的关系给出了严格限制。特别是当综合遗迹丰度给出的下限和反质子/质子流强比或直接探测实验给出的上限时,我们已经可以排除某些质量区间。在此之后,我们进一步考虑了自旋3/2暗物质粒子作为标准模型的单态。这一限制使得独立的四费米子有效算符的个数减少到4个。我们综合分析了这些有效算符的唯象学,在上一工作的基础上加入了LHC monojet+ET过程和Fermi-LATγ射线的观测限制。现有数据可以互补地严格限制这些有效算符。LHC实验的限制在小质量端最为有效,反质子/质子流强比的限制在大质量端最严格,而对中间质量来说自旋无关的直接探测实验效果最好。对于质量处于10GeV至1TeV的暗物质粒子,实验限制给出的有效能标一般要高于几十个TeV。 论文的第二部分是关于最小cascade seesaw模型的对撞机检验。在这一模型中,通过引入超荷为一的四重态标量粒子中和超荷为零的五重态费米子∑,seesaw机制在树图上给出量纲为九的中微子质量算符。我们给出了一种自洽而不失一般性的方法来处理复杂的Yukawa耦合。在此方法中,所有的混合矩阵都可以用标量粒子的VEV vΦ、复参数t及已知的中微子参数表出。我们的研究表明低能的轻子味道破坏过程可以对模型参数给出很强的限制,而这一限制会直接影响到对撞机上信号道的选取。我们系统考察了有潜力的信号道,并得到如下结论:对于四重态标量粒子的探测,4j2l+信号道是最重要的。而对于五重态费米子的探测,2l±2l(?)2j,3l±l(?)2j及3l±2l(?)+ET信号道都很有希望。


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