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物理与天文学院戴本忠教授团队在暗物质粒子研究领域取得新突破

2021-05-20  点击:[]

近日,物理与天文学院戴本忠课题组首次提出暗物质可以通过引力湮灭产生电子、缪子等轻子,并在宇宙线中观测中被发现,相关成果以“Dark matter annihilation into leptons through gravity portals”“Observational constraints on dark matter decaying via gravity portals”为题分别在高能物理与核物理顶级期刊Journal of High Energy PhysicsChinese Physics C上。论文第一作者均为博士生孙旭东,通讯作者为戴本忠教授。

在基于观测事实建立的冷暗物质大爆炸模型中,暗物质构成宇宙中所有物质的85%并广泛存在于各个星系和星系团中,在现有理论框架下能够很好的解释宇宙的演化和存在。

尽管暗物质的存在有足够多的证据,但世人对其粒子性质知之甚少,主要的结论是它们具有极端的稳定性。科学家设计了许多实验来探索暗物质的粒子性质,其中一些实验发现了一些具有吸引力的可能来自暗物质的信号。HEATATICPAMELAFermi-LATAMS-02以及我国空间卫星悟空DAMPE)等实验均发现宇宙线中的电子和正电子存在超出,这部分超出可能由暗物质贡献。暗物质粒子性质问题是现代物理学亟待解决的问题,对推进现代物理学的进展具有重要意义。

基于以上研究现状和面临的问题,考虑到暗物质存在的大部分证据来自其引力相互作用且宇宙线中轻子的超出部分可能由暗物质贡献,课题组首次提出暗物质可以通过引力湮灭产生电子、缪子等轻子,并在宇宙线中观测中被发现。基于该模型,课题组使用微扰论和格林函数法定量分析了暗物质在宇宙线中贡献的电子和正电子流量,并成功解释了“悟空”(DAMPE)卫星观测到的轻子超出(图1)。这是目前该领域第一个提出暗物质只通过引力相互作用湮灭为可观测轻子的模型,该模型有广阔的参数空间,并与现有实验和观测相容,具有非常好的前景,团队将利用国家重大科技基础设施“高海拔宇宙线观测站”(LHAASO)的最高精度观测数据开展进一步检验和研究。

  


1. 暗物质通过引力湮灭为轻子解释DAMPE组观测到的轻子超出。

DM:暗物质的贡献;BG:背景流量。


同时,在引力与暗物质具有非最小耦合的框架下,保障暗物质稳定性的整体对称性可以被破坏,导致暗物质衰变为可观测的光子或荷电粒子。围绕该课题,团队采用费曼图计算了暗物质各个衰变通道对各向同性弥散伽马射线背景的贡献,并利用目前最新的空间伽马射线卫星Fermi-LAT的观测数据,约束了暗物质通过引力衰变的强度并给出暗物质粒子的寿命下限,对质量和相互作用强度在电弱标度附近246 GeV的暗物质,给出了3倍标准偏差置信度的寿命大于秒(图2),这是目前对通过引力通道衰变的暗物质寿命约束的最高值,该工作对暗物质在引力作用下的行为探索具有指导意义。

  


  图2.Fermi-LAT观测数据对通过引力衰变的暗物质寿命的约束。

  图中的有色区域是被观测排除的参数空间

该工作获得科技部国家重点研发计划(2018YFA0404204,国家自然科学基金联合重点项目(U1738211)以及云南省科技厅重点项目(2018FA004)联合资助。

  论文链接:

    https://doi.org/10.1007/JHEP04(2021)108

  https://doi.org/10.1088/1674-1137/abb4d5


  供稿:物理与天文学院

  编辑:李哲

责任编辑:曾文蕊





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