摘要：來源：【中國科學(xué)院】近日，中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)研究員范一中、蔡岳霖及博士研究生唐天鵬，與南京師范大學(xué)合作，運(yùn)用自主研發(fā)的整體擬合方法，剖析W玻色子超重結(jié)果，發(fā)現(xiàn)此反常信號(hào)與暗物質(zhì)存在很強(qiáng)關(guān)聯(lián)。天文學(xué)和宇宙學(xué)觀測證據(jù)表明，宇宙中存在大量的。...

來源：【中國科學(xué)院】

近日，中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)研究員范一中、蔡岳霖及博士研究生唐天鵬，與南京師范大學(xué)合作，運(yùn)用自主研發(fā)的整體擬合方法，剖析W玻色子超重結(jié)果，發(fā)現(xiàn)此反常信號(hào)與暗物質(zhì)存在很強(qiáng)關(guān)聯(lián)。

天文學(xué)和宇宙學(xué)觀測證據(jù)表明，宇宙中存在大量的不發(fā)光物質(zhì)，即暗物質(zhì)。暗物質(zhì)占宇宙總物質(zhì)的85%，在宇宙的形成和演化過程中具有重要作用。因此，尋找更多的暗物質(zhì)證據(jù)并確定其性質(zhì)是當(dāng)前天文學(xué)、粒子物理及宇宙學(xué)領(lǐng)域最重要的任務(wù)之一，也是21世紀(jì)基礎(chǔ)科學(xué)研究可能取得重大突破的方向之一。

最近，美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室CDF-II合作組在Science上公布了W玻色子質(zhì)量的最新實(shí)驗(yàn)結(jié)果：80.4335±0.0094 GeV，其測量精度達(dá)到了萬分之一，也是迄今為止世界上最精確的測量結(jié)果。目前，所有測量W玻色子質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。W玻色子及其中性伴子Z玻色子是自然界中傳遞弱相互作用的媒介粒子，是探索電弱對稱性破缺機(jī)制和基本粒子質(zhì)量起源的重要一環(huán)。而此次CDF-II合作組測量到的W玻色子質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)模型理論預(yù)言值存在7個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差，這或暗示超出標(biāo)準(zhǔn)之外新物理的存在，得到了全球物理學(xué)家的關(guān)注。

惰性雙希格斯二重態(tài)模型（i2HDM）是最小的暗物質(zhì)模型，只在標(biāo)準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)上擴(kuò)充一個(gè)暗區(qū)的希格斯二重態(tài)。該模型中，除了標(biāo)準(zhǔn)模型希格斯粒子（SM-like Higgs）外，還包含兩個(gè)中性希格斯粒子（S、A）和一對帶異種電荷希格斯粒子（H±），其中最輕的中性希格斯粒子（S）就是暗物質(zhì)粒子?；诙栊噪p希格斯二重態(tài)模型，范一中等發(fā)現(xiàn)當(dāng)暗物質(zhì)粒子質(zhì)量介于54～74GeV之間通過量子修正能自然地解釋W(xué)玻色子質(zhì)量超出，且與所有的其他現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。無需引入任何精細(xì)參數(shù)調(diào)節(jié)，這樣的暗物質(zhì)粒子會(huì)在銀河系產(chǎn)生可探測的GeV伽馬射線信號(hào)與反質(zhì)子信號(hào)，而這兩種對應(yīng)信號(hào)很可能已被Fermi-LAT和AMS-02觀測到（圖2左），也就是之前廣被討論的銀心GeV伽馬射線超出與反質(zhì)子超出。此外，這種暗物質(zhì)模型預(yù)言存在標(biāo)準(zhǔn)模型希格斯粒子（SM-like Higgs）共振湮滅以及暗物質(zhì)粒子與次輕中性希格斯粒子（A）共同湮滅兩種過程。這兩種湮滅過程的信號(hào)在暗物質(zhì)直接探測實(shí)驗(yàn)（圖2中）和高亮度大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）實(shí)驗(yàn)（圖2右）均具有很強(qiáng)的可檢驗(yàn)性。該研究對未來尋找暗物質(zhì)粒子研究具有重要的理論指導(dǎo)意義。

相關(guān)研究成果以Inert Higgs dark matter for CDF II W-boson mass and detection prospects為題，發(fā)表在《物理評論快報(bào)》（Physical Review Letters）上，這是該期刊接受發(fā)表的首篇W玻色子質(zhì)量超出理論的解讀論文。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的支持。

論文鏈接

圖1.目前，所有測量W玻色子質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)，灰色柱狀區(qū)域代表標(biāo)準(zhǔn)模型的理論預(yù)言值和誤差范圍。

圖2.左為同時(shí)滿足銀心GeV伽馬射線超出和反質(zhì)子超出的暗物質(zhì)質(zhì)量區(qū)間（紅色區(qū)域），中為類標(biāo)準(zhǔn)模型希格斯粒子（SM-like Higgs）共振湮滅過程在暗物質(zhì)直接探測上的觀測前景（藍(lán)色區(qū)域），右為暗物質(zhì)粒子與次輕中性希格斯粒子（A）共同湮滅過程在高亮度強(qiáng)子對撞機(jī)上的可觀測預(yù)期（綠色區(qū)域）。

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