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超对称模型中的Sneutrino暗物质研究以及DAMPE实验超出的理论解释

郭小飞  
【摘要】:尽管大量实验结果和标准模型的理论预测相符合,但是标准模型自身的一些缺陷仍然暗示我们有新物理存在。例如不能提供暗物质候选粒子,无法解释中微子质量。超对称模型作为一种很流行的新物理理论,可以自然地提供暗物质候选粒子,但是仍然不能解释中微子质量。Seesaw机制作为一种生成中微子质量的方式,和超对称模型相结合可以同时解决暗物质问题和中微子疑难,因而变得非常有吸引力。目前我们在这一方向上做了如下工作:·在Type-I Seesaw扩充的次最小超对称模型(NMSSM)中,我们详细研究了Sneutrino作为暗物质的方案。我们首先分析了暗物质不同的湮灭机制以及和核子的散射情形,同时定义了一个物理量来参数化直接探测的精细调节,然后进行了相关的数值研究。我们用B物理的实验数据,对撞机上Higgs的实验数据,暗物质残留密度以及直接和间接探测的实验数据构造Likelihood函数,同时用Multi-Nest抽样方法对相关的参数空间进行了复杂的扫描。我们分别用贝叶斯(Bayesian)和频率(Frequentist)的方法来展示数值结果,发现我们的方案可以在大量的参数空间存活,并且在这些存活的参数空间中Sneutrino主要通过和Higgsino的共同湮灭来满足残留密度限制。与此同时,数值结果表明暗物质和核子的散射率可以自然地满足最新的Xenon-1T限制。最后,我们研究了LHC寻找Higgsino的限制。·在Inverse Seesaw扩充的次最小超对称模型(NMSSM)中,我们在保证Higgs自然性要求的前提下研究了Sneutrino作为暗物质的情形,同时简单探讨了中微子,Higgs和超粒子相关的唯象。我们详细分析了Sneutrino暗物质的湮灭机制以及和核子的散射情形。然后在数值方面,我们使用Higgs,B物理,暗物质直接和间接探测以及残留密度的实验数据构造Likelihood函数,通过MCMC(Markov Chain Monte Carlo)抽样方法对相关的参数空间进行了扫描。相关的数值结果表明Sneutrino暗物质和核子的散射率可以自然地被压低,从而满足直接探测的实验限制,缓和了传统的Natural NMSSM框架下Neutralino作为暗物质面临直接探测较强限制的问题。除此之外,DAMPE(DArk Matter Particle Explorer)的实验结果暗示在1.4TeV末态电子能谱中存在超出,于是对这一超出进行解释成为了研究热点。我们在这一方向上做了如下工作:·我们在U(1)规范群扩充的标准模型中解释了DAMPE的实验超出。首先在标准模型的基础上新增加一个U(1)规范群(SU(3)_C×SU(2)_L×U(1)_Y′)和三代右手中微子ν_(R,{1,2,3})以及两个复标量场?_s和?_χ,通过χχ→Z~′Z~′→?ˉ??~′?~′(其中χ,Z~′,?~′分别表示标量暗物质,新的规范玻色子以及?~′=e,μ,τ)的过程来解释DAMPE发现的超出。我们的数值结果表明,这一框架虽然可以解释这一超出,但是存活的参数空间被LHC寻找Z~′的实验结果排除。然后我们在标准模型的基础上新增加两个U(1)规范群(SU(3)_C×SU(2)_L×U(1)_Y×U(1)_(Y′)),发现这一框架在满足当前残留密度,直接探测以及对撞机限制的情形下可以很好的解释这一超出。我们的结果表明?m=m_χ-m_(Z′)在小于17GeV的情形下可以较好的拟合出实验上发现的峰结构。·我们在LRSM(Left-Right Symmetric Model)的框架下新引进两个复标量场?_L和?_R,通过以下两个方案来解释DAMPE超出:(1)χχ~*→H_1~(++)H_1~(--)→?_i~+?_i~+?_j~-?_j~-;(2)χχ~*→H_k~(++)H_k~(--)→?_i~+?_i~+?_j~-?_j~-同时χχ~*→H_1~+H_1~-→?_i~+ν?_i?_j~-ν?_j(其中?i,j=e,μ,τ以及k=1,2)。我们发现在满足理论限制,对撞机限制,残留密度限制以及直接探测的限制下,我们的方案有大量的存活空间来解释这一超出。同时我们的研究暗示在10~7GeV到10~(11)GeV的能标范围内可能有新物理存在。最后我们简要探讨了新粒子在未来对撞机上的探测情形。·我们在U(1)_(Le-Lμ)规范群扩充的标准模型中引入一个复标量场?_χ作为暗物质场,引入另外一个复标量场?_s破缺U(1)_(Le-Lμ)对称性,通过χχ→Z~′Z~′→lˉll~′ˉl~′的过程解释DAMPE实验发现的e~+e~-超出。通过拟合实验观测到的峰结构,我们发现在68%的置信度下m_χ?3060~(+80)_(-100)GeV,?m≡m_χ-m_Z′14 GeV。我们的数值结果表明在满足残留密度,直接探测以及对撞机限制的情况下,我们的方案能比较好的解释DAMPE实验超出。通过以上的工作,首先我们关于Sneutrino暗物质的研究可以为暗物质直接探测和对撞机实验发现新物理提供一些线索,其次我们关于DAMPE超出的工作为暗物质间接探测的超出提供了有意义的解释。


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