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次最小超对称模型解释伽马射线超出的研究

连经伟  
【摘要】:时至今日,无数的物理实验数据都向我们表明了一个事实:标准模型在人类社会所有科学领域中是最为精确的理论。而2012年,在欧洲的大型强子对撞机(LHC)上发现了标准模型预言的希格斯玻色子,再一次展现出标准模型理论的威力。可是,标准模型依然存在着很多其它问题,例如:规范等级问题、重子数不守恒问题、中微子质量等等。这些问题的存在表明,标准模型不是最终的完美理论,需要新物理理论的扩充和取代。暗物质的存在由多种宇宙学和天体物理的观测所保证,比如引力透镜和子弹星系团等,然而暗物质的具体粒子物理细节仍然未被知晓,这为寻找超出标准模型的新物理提供了入口。暗物质间接探测中的GCE是指,根据费米伽马射线太空望远镜上搭载的大区域望远镜(Fermi-LAT)所给出的数据,银河系中心伽马射线在几个GeV能量上的超出(GCE)得到多个实验组的确认。但不同视角下的观点也被接连提出,都为提供银心超出的伽马射线源做出各自的解释。尽管脉冲星可以解释GCE,但同时暗物质也可以。与此相关的一些模型研究表明,银心伽马射线的超出呈现出以银心为中心的球型结构,并且伽马光谱有着和暗物质湮灭相一致的特点。我们这篇文章的主要目标就是,以次最小超对称模型中的WIMP粒子湮灭末态产生光子为基础解释银河系伽马射线超出,并结合暗物质直接探测实验来说明次最小模型与当前暗物质探测实验的拟合情况。WIMP粒子因为其参与弱相互作用,并与核子碰撞,核子获得的反冲可以被探测到,这是暗物质直接探测的主要原理。位于意大利的DAMA实验和XenonlT实验、美国南达科他州的LUX实验以及中国锦屏的PandaX实验,都是以液态氙(Xenon)为探测器主体在地下进行暗物质直接探测的实验。其中XenonlT和PandaX对WIMP-核子散射实验分别针对不同方面给出了最强的限制。最具吸引力的WIMP之一是超对称中的最轻的中性超粒子,同时也是最轻的超对称粒子(LSP)。超对称(supersymmetry,SUSY)模型是新物理研究中最引人关注的模型之一,其形式简洁优美,不仅能很好的将已经完善的标准模型自然地纳入其框架之内,更重要的是解决了标准模型中棘手的问题,这是它能够在浩如烟海的新物理模型中长盛不衰,备受理论物理学家和唯象学家推崇并且一直处在研究前沿热点的原因。超对称是费米自由度和玻色自由度之间的对称性,最简单的超代数是在庞加莱代数的基础上扩展两个超对称变换生成元得到的,超代数的不可约表示的基对应一个手征超多重态,其中的玻色自由度和费米自由度相等,标准模型粒子的质量与它的超伴子的质量相同。在超对称框架下的大量新物理模型中,最小超对称模型(MSSM)是最为简单的模型,通常被认为是最好的选择。最小超对称模型超势各项的R宇称是守恒的,这保证了理论能够给出实验上测得的足够长的质子寿命。超对称在当前能标下存在软破缺,软破缺部分的拉氏量给出了超对称粒子的质量项。电弱对称性破缺后,规范超伴子和希格斯超伴子会混合成中性超粒子和荷电超粒子质量本征态;第三代标量费米子的手征混合最强。然而随着一系列实验更新出惊人的发现,最小超对称被证明不再是一个好的超出标准模型的模型。次最小超对称模型(NMSSM)中质量最轻的中性超粒子(?)(neutralino)是最引人注目的大质量弱相互作用(WIMP)暗物质粒子之一。我们将最轻的以siglino为主的中性超粒子作为暗物质候选者,并实施复杂的扫描来探索这样的中性超粒子是否能解释银河系中心伽马射线超出(GCE)。通过分析既与GCE符合较好同时也满足大量实验限制的样本,我们发现以下三个主要结论:首先,较大的暗物质湮灭截面σv0可以与GCE拟合得更好;其次,singlino为主的中性超粒子对(?)(?)主要以A_1作为中间传播子通过S道湮灭到b(?);最后,暗物质直接探测实验对WIMP-核子散射截面的限制几乎排除了所有满足GCE的次最小超对称模型样本。


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