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一種新的產生暗物質和希格斯的理論機制

2021-04-13 00:00:00
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項目成果/簡介:

一種基于真空非對齊的新的暗物質非熱產生機制,這一機制可以適用于包括復合希格斯在內的一大類模型。真空非對齊是對稱性自發破缺的一種方式,如圖1(a)所示。我們以一個簡化的復合希格斯模型為特例闡述了機制的運作方式。在高溫時,電弱真空隨手征對稱性破缺而發生大的破缺,真空非對齊角在一段時間內維持在90度,即對應于一個無希格斯粒子(Higgsless)的真空。此時希格斯場會與模型中其它的贗南部-戈德斯通玻色子組合成一個質量復標量場,假定這個復標量可以攜帶一個新的U(1)對稱性的非零荷,則它在這個真空中不會完全衰變為標準模型的粒子。如果模型中還有一些暗物質粒子也帶有這個U(1)對稱性的荷,那么希格斯場在這個真空中與暗物質受到相同對稱性保護,同屬于所謂的暗的部分。如果引入的新的U(1)對稱性是電弱反常的,則在發生電弱相變時可通過sphaleron不對稱地產生正反暗物質,之后正反暗物質會互相湮滅,直到反物質(或正物質)被全部湮滅,而最終殘留的部分就可作為宇宙的暗物質遺跡。在我們的理論機制中,暗物質遺跡的不對稱產生是在無希格斯真空下發生的,但隨著溫度的降低,真空非對齊角會開始變小并最終演化為今天的標準模型真空,真空非對齊角隨溫度的變化參見圖1(b),而暗的U(1)對稱性也隨之發生自發破缺。在真空非對齊角開始偏離90度時,希格斯粒子開始從暗的部分中分離出來,也就是說希格斯粒子有可能在較高溫度時曾經屬于暗的一部分,但在溫度降低后從暗的部分中演生出來,成為一個不穩定的實標量粒子。另一方面,還有一些復合暗物質粒子因為受到一個Z_2對稱性的保護而不會完全衰變為標準模型粒子,它們雖然在無希格斯真空下是復標量場,但在標準模型真空下卻會劈裂為兩個有質量差別的實標量場,于是通過Z規范玻色子與原子核散射的過程被運動學禁戒,從而不會受到很強的直接探測限制。我們的理論機制預言,總會存在一個輕的贗標量粒子,這對暗物質直接探測如Xenon1T實驗、宇宙學觀測、超新星觀測以及在對撞機實驗中探測“Z規范玻色子衰變到光子及這個贗標量粒子”過程等結果都有深遠的影響,從而可以得到檢驗。

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