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基于标量传递的暗物质模型的一些研究

韩华勇  
【摘要】:大量实验表明暗物质是我们这个世界必不可少的一部分,而粒子物理的标准模型并不能对其提供一个合理的解释。为了对这些暗物质现象进行解释,有必要对标准模型进行扩展。本文对基于希格斯粒子传递的一类暗物质模型进行了研究,并提出了一个与希格斯粒子类似的新标量粒子传递的暗物质模型。在对标准模型进行扩展的众多新物理模型中,希格斯粒子传递的标量暗物质(HSDM)模型是极为简单的一种。在HSDM模型中,新加的实标量单态s作为暗物质候选者,它仅与标准模型中的希格斯粒子h耦合。为了保证标量暗物质的稳定性,在引入了2Z对称性后,HSDM模型中只包含三个新物理参数,即标量暗物质质量sm、暗物质与希格斯的耦合系数sk以及标量的自耦合系数sl。本文分析了一些现有实验观测对HSDM模型参数的限制。由于标量暗物质的自相互作用与这些限制无关,本文就只考虑对sm和sk的限制。如果要求模型符合暗物质残余度的限制,模型中sm与sk将处于一一对应的状态。这时,HSDM模型中的自由参数仅剩下sm。基于XENON100和LUX等暗物质直接探测平台的实验限制,以及大型强子对撞机(LHC)Run I等粒子对撞机上的最新实验结果的约束,我们得到两个暗物质质量范围:共振质量区域(53GeV 63GeVs£m£)和大质量区域(185 GeVsm3)。本文接着讨论了标量暗物质的自散射过程对天文学大尺度结构的影响。在计算过程中,既考虑了暗物质自相互作用的贡献,又考虑了Sommerfeld效应的作用。结果表明HSDM模型在共振质量区域和大质量区域中都能符合目前天文学对大尺度结构观测的限制。如果通过此方式对暗物质共振质量区域进行限制则需要测定的标量暗物质的自散射截面与质量之比达到7 20cm1/~g-,而对大质量区域进行限制则需要达到10 2c~10 m/g-。并且,进一步研究了HSDM模型在粒子加速器上的探测效应。针对强子对撞机LHC和100 TeV环形对撞机(FCC)上的暗物质产生,本文选取了暗物质产生的主要道-矢量玻色子融合道和一个背景相对干净的道-Z玻色子伴随产生道进行分析。通过使用MadGraph 5和相关的程序包,本文对两个观测道的信号和标准模型背景进行了计算机模拟。结果表明,对HSDM模型,其共振质量区域可以通过XENON1T和FCC以及对大尺度结构的天文观测等方式进行探测,而在大质量区域则只有XENON1T能够探测。若进一步考虑微扰性和早期宇宙演化中的真空稳定性等理论上的要求,则共振质量区域完全被排除,并且大质量区域将会被限制到更窄的范围1.1TeV 2.0TeVsm££。2015年末,LHC发布了在13 TeV对撞能量下的初步结果。该数据显示,双光子末态过程在其不变质量约为750 GeV处超出了标准模型的预期。因而,本文提出了一个包含新(赝)标量粒子的模型来对其进行解释。在此模型中,新(赝)标量粒子的质量为750 GeV,它与一个类似顶夸克或者底夸克的新费米子耦合。新(赝)标量粒子主要由双胶子融合产生,然后再通过新费米圈衰变产生两个光子。基于LHC Run II上双光子实验数据和LHC Run I的实验限制,本文讨论了该模型中相关参数的取值范围。在此基础上,本文进一步提出了一个由质量为750 GeV的新标量粒子传递的暗物质(NSDM)模型。NSDM模型中的暗物质仅与新标量耦合,因而只增加了暗物质质量DMm和暗物质与标量的耦合系数y两个参数。基于暗物质残余度以及暗物质直接探测实验XENON100和LUX的限制,并结合微扰性要求,我们确定出NSDM模型中暗物质的质量范围为400GeVm_(DM)3TeV。


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