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标量暗物质现象学、中微子辐射质量与宇宙重子数不对称相关问题研究

鲁文斌  
【摘要】:足够多的天文学和宇宙学观测证据表明,我们的宇宙充盈着不发光的暗物质,而为了从粒子物理的角度解释其起源和属性,对超出标准模型新物理的研究成为当前的重要课题,而其中暗物质候选者的性质也各不相同。令人感兴趣的是,如果我们从对暗物质粒子的建模本身出发,以尽可能最小的成本去寻求标准模型的扩展,那么这些模型便有望被系统化地归纳到一类最小暗物质模型的框架中,它通过增添额外的SU(2)_L单态或多重态来扩充标准模型,从而在其中寻求合适的暗物质候选者。仅有的多重态规范相互作用也让模型具有精准的预测性:遗迹丰度将对唯一的自由参数——暗物质的质量给出限制。增添的多重态粒子可能是标量粒子、费米子或矢量玻色子,对于费米子,只考虑规范相互作用是相当合理的,因为在可重整的框架下并不存在其他可能的与标准模型粒子的相互作用项。然而对于标量多重态,这种假设并不是完整的:标量场希格斯通道的四次耦合项将完全有理由存在。在本文中我们对惰性标量三重态暗物质模型进行了系统的分析,特别关注了由希格斯通道的相互作用带来的更丰富的现象学效应。我们的计算预言了希格斯通道和规范相互作用间的干涉效应能够导致暗物质-核子弹性散射截面的急剧减小,从而逃过所有直接探测实验给出的限制。来自具有非零超荷多重态的中性粒子将耦合到Z~0玻色子,从而产生大大超出当前实验限制的强弹性散射截面。为了避开这个限制,一个可行的多重态暗物质或者需要超荷为零,例如实标量三重态暗物质模型,或者在非零超荷多重态中电中性分量实部和虚部之间的质量劈裂来有效抑制与原子核的非弹性散射过程。在本文中,我们首次提出了一种混合惰性标量三重态暗物质模型,其中具有非零超荷的复标量三重态和具有零超荷的实标量三重态通过与标准模型希格斯两重态的可重整化耦合项相互混合。这种混合机制产生了合适的质量劈裂,从而恢复了由非零超荷的复标量三重态提供暗物质组分的可能性。我们考虑了模型在三种渐近极限,亦即实三重态主导暗物质、复三重态主导暗物质以及均等组分暗物质情形下暗物质遗迹丰度和直接探测散射截面的解析近似。作为交叉验证,我们进一步对全参数空间暗物质遗迹丰度给出的限制进行了数值分析,结果与解析近似吻合的很好,并直观的说明了我们考虑的三种特殊的极限情形事实上包含了全参数空间的大部分相关特征。另一方面,大气、太阳、加速器及反应堆中微子实验确证了中微子具有微小的非零质量,这使得令人满意的新物理理论也被期待拥有更加深邃的动机来同时解决更多的问题,作为暗物质候选者的新粒子也可能在中微子质量的产生甚至宇宙重子数不对称的起源中扮演重要的角色。在本文的第一部分中我们考虑了包含Majorana费米子单态或三重态、实标量希格斯单态或三重态以及带轻子数的希格斯两重态的一类模型,在这类模型中,由于轻子数的软性破坏和Z_2对称性的严格守恒,中微子的非零Majorana质量只能通过这些惰性场参与的相互作用在单圈图水平产生。同时,这些相互作用可以导致重质量惰性场的不对称衰变,从而实现自然的轻子产生过程来解释宇宙中的重子数不对称。在第二部分混合标量三重态模型中,我们引入了两种具有相反超荷的惰性费米子两重态来构造重质量的狄拉克费米子。惰性标量三重态和费米子两重态分别与标准模型轻子两重态的Yukawa耦合可以被用来产生中微子辐射质量,同时,与通常采用Majorana费米子衰变的方式不同,这里的轻子产生过程将由狄拉克费米子的衰变来产生轻子数不对称。


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