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科研團(tuán)隊用暗物質(zhì)模型成功解釋W(xué)玻色子超重現(xiàn)象
來源：中國科學(xué)院紫金山天文臺 
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近日，中國科學(xué)院紫金山天文臺范一中研究員、蔡岳霖研究員及博士研究生唐天鵬，與南京師范大學(xué)合作運用自主研發(fā)的整體擬合方法，詳細(xì)分析了W玻色子超重結(jié)果，發(fā)現(xiàn)此反常信號與暗物質(zhì)存在很強關(guān)聯(lián)。該研究成果以《Inert Higgs dark matter for CDF II W-boson mass and detection prospects》為題發(fā)表在國際頂級物理學(xué)期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters），這也是該雜志接受發(fā)表的首篇W玻色子質(zhì)量超出的理論解讀論文。
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)，我們稱其為暗物質(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起著極其的重要作用。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)域最為重要的任務(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，在經(jīng)歷長達(dá)十年的分析后，美國費米實驗室CDF-II合作組在Science雜志上公布了W玻色子質(zhì)量的最新實驗結(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為精確的測量結(jié)果。目前所有測量W玻色子質(zhì)量的實驗結(jié)果見圖1。眾所周知，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，是理解電弱對稱性破缺機制和基本粒子質(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個標(biāo)準(zhǔn)偏差，這很可能暗示著超出標(biāo)準(zhǔn)之外新物理的存在，得到了全球物理學(xué)家的廣泛關(guān)注。
惰性雙希格斯二重態(tài)模型（i2HDM）是一種最小暗物質(zhì)模型，它只在標(biāo)準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)上擴充一個暗區(qū)的希格斯二重態(tài)。所以，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。基于惰性雙希格斯二重態(tài)模型，范一中等研究發(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很自然地解釋W(xué)玻色子質(zhì)量超出，并且與所有的其他現(xiàn)有實驗結(jié)果一致。更為有趣的是無需引入任何精細(xì)參數(shù)調(diào)節(jié)，這樣的暗物質(zhì)粒子會在銀河系產(chǎn)生可探測的GeV伽馬射線信號與反質(zhì)子信號，而這兩種對應(yīng)信號很可能已經(jīng)被Fermi-LAT和AMS-02觀測到（圖2左），也就是之前已經(jīng)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)模型還預(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在暗物質(zhì)直接探測實驗（圖2中）和高亮度大型強子對撞機（LHC）實驗（圖2右）都具有很強的可檢驗性。該研究成果對未來尋找暗物質(zhì)粒子研究具有非常重要的理論指導(dǎo)意義。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委項目、中科院先導(dǎo)專項的資助。
論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.091802