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原初黑洞和玻色子暗物质的相关研究

邸浩然  
【摘要】:天文观测结果表明宇宙中的物质,包括4.9%普通物质,26.8%暗物质和68.3%暗能量。尽管暗物质未被直接观测到,但有很多现象表明其确实存在,如星系旋转曲线,引力透镜效应等。本文首先介绍了宇宙学标准模型和暗物质存在的相关证据。然后介绍了原初黑洞暗物质。原初黑洞是指暴涨时期产生的密度扰动在辐射为主时期进入视界后塌缩而形成的黑洞。为了产生合适丰度的原初黑洞暗物质,在接近暴涨结束时,小尺度上曲率功率谱要被放大到0.01的量级,这就要求慢滚参数?至少减小7个量级。我们提出了成功产生原初黑洞的条件,并利用一个势能为多项式的玩具模型实现了功率谱增强7个量级,同时我们还计算了由这个密度扰动所产生的二阶引力波。由密度扰动产生的二阶引力波的功率谱,与目前PTA的观测一致,且可由未来PTA和空间引力波探测来检验。之后介绍了三种玻色子暗物质模型,即轴子、类轴子暗物质和暗光子,这三种暗物质候选者都可由misalignment机制产生,轴子与类轴子的自旋为0,性质比较相似,暗光子的自旋为1。对于这三种模型,暗物质粒子的衰变几率很小,但由于星系中存在大量暗物质,导致其衰变信号可被探测。通过计算,我们发现暗光子和轴子/类轴子的衰变能谱存在一个尖峰。结合当前实验室探测实验,对临近星系晕谱线的探测有可能揭示暗物质的本质。另外,我们设计了一种新的实验,即利用原子能级跃迁来探测暗光子。利用塞曼效应,施加磁场调节氢原子或类氢原子2S态和2P态之间的能级差,使其与暗光子的能量相同,而2P态向1S态跃迁辐射出的光子可被探测到。这个实验方案设计的依据是暗光子拉氏密度的相互作用项类似于量子电动力学中的流矢耦合项,区别在于暗光子相互作用项存在一个压低因子,因此需要在低温进行实验以减小热噪声。我们发现类轴子可用来解释宇宙微波背景辐射中的功率谱半球不对称性。考虑一般类轴子标量场,其在暴涨前发生自发对称性破缺,产生了宇宙弦,这个宇宙弦导致了场的变化,在暴涨后,大爆炸核合成之前,这个标量场衰变成辐射,如果自发对称性破缺能标和自耦合强度取合适的值,则可解释功率谱半球不对称性。这就暗示了类轴子粒子存在的可能性。此外,类轴子暗物质的一阶速度方程相对于类点暗物质,多了两项,分别是量子压和自相互作用,对于超轻质量的类轴子,这两项可能具有观测效应。


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