2019-11-26 23:26:01
一个新的框架可以帮助寻找重热暗物质

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天体物理学家几十年来一直在寻找暗物质,但到目前为止,这些搜寻结果令人失望。在最近的一项研究中,魏茨曼科学研究所和以色列希伯来大学的两名研究人员介绍了一种新的理论框架,概述了质量高达1014 GeV的基本热暗物质的机理。

他们工作中考虑的暗物质由几个几乎退化的粒子组成,这些粒子以与暗物质研究中使用的标准模型一致的方式散布在最近的邻居链中。这些研究人员提出的新框架,在《物理评论快报》上发表的一篇论文中概述,最终可以为将来对重质暗物质的搜寻提供信息。

“暗物质的性质是现代物理学中一个长期存在的问题,”进行这项研究的研究人员之一金亨金告诉Phys.org。 “一个像希格斯玻色子一样重的粒子,并且参与了相互作用,其强度是电弱相互作用的强度,被认为是动机特别强的暗物质候选者,因为当解决另一个关键问题时,它通常会自然而然地出现:层次在电弱标尺和普朗克标尺之间。”

被认为是很好的暗物质候选者的粒子,称为弱相互作用的大质量粒子(WIMP),可以通过早期宇宙中标准模型粒子之间处于热平衡状态时的相互作用自然产生。这个特殊的过程被称为“热冻结机制”。

根据当前的天体物理学理论,今天我们宇宙中最终的WIMP数量将对初始条件或模型参数的细节不敏感。但是,由金·格里斯特(Kim Griest)和马克·卡米恩科夫斯基(Marc Kamionkowski)在1990年的一篇论文中得出的一个常见知识表明,当暗物质重于100 TeV(即比希格斯玻色子重1000倍)时,这种热冻结机制就不起作用。

“在最近的论文中,我们证明了这种常见的错误是错误的,并表明即使暗物质比希格斯质量重几个数量级,如果存在一组散布在标准模型之外的暗粒子,热冻结也是可能的粒子具有最近邻的相互作用。”这项研究的另一位研究者埃里克·库夫利克(Eric Kuflik)说。 “然后,暗物质和标准模型粒子之间的随机相互作用决定了暗物质的残留量。”

Kim和Kuflik提出的机制描述了一组暗物质粒子,它们通过最邻近相互作用与普通物质一起散射,它们在物种之间发生变化。换句话说,这表明暗物质在暗物质物种之间进行了“随机行走”,从而不断改变其身份。因此,根据研究人员介绍的框架,暗物质的丰度在早期宇宙中是由热确定的,从而导致了极重的暗物质团块。

金解释说:“我们已经证明,即使在暗物质质量大大超过传统智慧所允许的范围内,也可以在宇宙处于热平衡状态时从早期宇宙热浴中产生暗物质。” “有趣的是,在我们的场景中,暗物质粒子的丰度仅取决于暗粒子与标准模型粒子的相互作用强度。”

Kim和Kuflik开发的新框架可能对研究宇宙微波背景,结构形成和宇宙射线的研究具有重要意义。此外,它可以作为重暗物质实验搜索的基准,因为它暗示了晚宇宙中对普通物质粒子的衰变可能会留下有趣的天体物理学和宇宙学特征,研究人员在寻找暗物质时会寻找它们。

金正日说:“我们希望在未来的工作中有两个有希望的方向。” “首先,我们的机制不可避免地预测了整个宇宙历史中暗物质粒子将衰减为标准模型粒子。这可能会留下有趣的天体物理特征,例如超高能宇宙射线等。对宇宙学的意义也很有趣。”

到目前为止,Kim和Kuflik已经描述了超重暗物质的基本概念,并通过参数化暗粒子和标准模型粒子之间的相互作用强度,为其提供了“简单玩具模型”。但是,Kim和Kuflik在接下来的研究中计划对粒子物理学理论进行详细的研究,以实现其超重热暗物质的机理。

Kuflik补充说:“粒子物理学中的明确认识将有助于识别该机制所预测的全套实验信号,这将教会我们排除或检测此类暗物质的最佳方法。”

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