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暗物质寻找的研究

李春园  
【摘要】:现代天文学和宇宙学的观测证实宇宙中存在大量的非重子暗物质,其质量约占宇宙物质总质量的85%。冷暗物质宇宙模型ACDM可以成功地模拟宇宙大尺度结构,但是难以再现星系尺度和亚星系尺度的观测结果。为了解决标准模型所面临的正反物质不对称、层级结构等问题,人们提出了多种超标准模型,例如超对称模型、额外维模型和最小希格斯模型等,这些新模型也可以给出满足暗物质特征的候选粒子。当前,对暗物质基本性质的研究已经成为粒子物理和宇宙学的重要研究课题之一。本论文主要基于暗物质的直接探测和对撞机探测来研究暗物质的相关问题。暗物质直接探测实验旨在测量地下探测器内的靶核与暗物质粒子碰撞后的微小反冲能。其中,弱相互作用大质量粒子(WIMP)是非常流行的暗物质候选粒子之一。在30多年的暗物质直接探测历史中,只有实验DAMA、实验CRESST-II、实验CoGeNT和实验CDMS-II-Si报告了暗物质的疑似信号,大部分实验只给出了暗物质质量与散射截面的参数平面的排除上限。为此,人们提出了同位旋破缺、非弹性散射、轻媒介粒子和非标准晕模型等多种机制来尝试缓解不同实验之间的矛盾。与直接探测一样,只有当暗物质粒子与标准模型的粒子有充分的相互作用时,在对撞机上才能产生可观测的暗物质信号。具有高亮度、高分辨率和清晰背景的未来正负电子对撞机将是研究暗物质的强有力的工具。另外,暗物质对撞机探测与暗物质的分布无关,并且可以与暗物质直接探测的结论互补验证。本论文主要完成了以下两方面工作:(1)我们采用自旋无关的三类有效算符并固定三组不同的同位旋破缺参数ξ和媒介粒子的质量mΦ(ξ=-0.7,mΦ=200MeV;ξ=-0.7,mΦ=1 MeV;ξ=-0.82,mΦ-1 MeV),研究了实验CDMS-II-Si在2013年观察到的暗物质疑似信号与实验DarkSide-50和实验XENON1T等给出的最新限制之间的兼容性。在暗物质与靶核自旋无关相互作用的情况下,我们发现实验DarkSide-50和实验XENON1T给出的限制在理论上是互补的。当固定同位旋破缺参数ξ=-0.7(-0.82)时,实验XENONT(DarkSide-50)给出的排除上限可以大幅度的减弱。对于第一类算符,当ξ=-0.7,mΦ-1 MeV时,实验DarkSide-50可以在mχ(?)20 GeV的区域给出更严格的限制;当ξ=-0.82,mΦ=1 MeV时,实验DarkSide-50只能在mχ(?)5 GeV的小区域内给出更严格的限制。对于第二类和第三类算符,分析结果与此类似。我们发现,即使同时考虑同位旋破缺和轻媒介子两种机制,也不能明显缓解实验CDMS-II-Si与其他实验的矛盾。然后,我们以暗光子模型为例,在参数平面(mA',ε),对暗光子的混合参数ε做出了新的限制。我们发现,当固定暗物质的质量比较小如mχ=6 GeV时,实验DarkSide-50可以在暗光子质量为[1 MeV,1 GeV]的区域给出比较严格的限制。此外,我们在参数平面(mχ,mA')中也对暗物质和暗光子的相关参数做出了新的限制。(2)暗区域(Dark Sector)内可能存在一种或多种可以联系暗物质和标准模型粒子的暗媒介子。这些媒介粒子可能是矢量粒子A'、标量粒子Φ、赝标量粒子a、轴矢量粒子Z'或费米子N。在本文中,我们研究了在正负电子对撞机上大质量暗矢量媒介子(暗光子)和暗标量媒介子的不可见产生过程e+e-→qqA'和e+e→qqΦ,并计算了相关的散射截面和运动学分布。我们发现施加适当的运动学cut后,通过分析双jet系统的运动学分布可以辨别暗光子与暗标量媒介子。然后,我们以暗光子模型为例,在暗光子只与暗物质和标准模型的夸克相互作用的假设下,研究了在正负电子对撞机(CEPC)上寻找大质量暗光子的可能性。我们固定暗物质的质量为实验CDMS-II-Si给出的最佳拟合值mχ=8.6 GeV,并根据直接探测实验的数据计算了组合参数αχε2的排除上限,然后计算了暗光子不可见衰变过程A'→χχ的分支比。我们发现,CEPC在质心能为(?)=91.2 GeV的模式下运行一年,有可能在3σ置信度下发现质量在[20,60]GeV范围内的暗光子。但是,在这种假设下,随着质心能(?)的进一步提高,信号过程的散射截面会变小,背景过程的散射截面反而变大,正负电子对撞机在更高的质心能量运行模式下(如(?)=240 GeV)反而难以发现此质量范围内的暗光子。


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