暗物质理论研究进展

暗物质理论研究进展周宇峰中国科学院理论物理研究所973项目启动会，2010/03/18-19，北京973子课题一暗物质理论与新物理唯象•首席：吴岳良•课题负责人：周宇峰•学术骨干：罗民兴，何红建，吕才典，刘纯，廖益，毕晓军，郭万磊•研究生：数十名博士/硕士研究生暗物质发现的早期历史„1933,Zwickyfoundalargemass-to-lightratio~400fromvelocitydispersionintheComacluster.Thefirstindicationofdarkmatter.„1936,SmithfoundunexpectedhighmassintheVirgocluster.„1939,BabcockfoundthattheouterregionofAndromedagalaxyrotateswithahighspeed.„1959,KahnandWoltjerinferredfromtherelativemotionbetweenM31andourGalaxythattheLocalGroupismuchheavierthanexpected.„1970,RubinandFordmeasuredtherotationcurveinM31withunprecedentedprecisionandatlargedistance(24kpc),clearlyshowedtheexistenceofDMordeviationofNewton’slawofgravitation.FritzZwickyVeraRubin暗物质的存在证据星系旋转曲线弱引力透镜强引力透镜暗物质基本特点：•宇宙学时间尺度上稳定。•参与引力作用，电中性。•非重子物质•非相对论性运动微波背景辐射大尺度结构暗物质实验探测手段卫星空间探测地下直接探测地面探测高空气球探测对撞机探测„WIMP类型…LSP:neutrilinos,sneutrinos,gravitinos,axinos…LKP:…LittleHiggsmodels:„非WIMP类型…Axions…SuperWIMP,Wimpzilla,Q-ball,….DMcandidatesfromparticlephysicsWIMP:来源于热力学退耦剩余丰度，质量及相互作用强度在电弱能标附近近期实验进展回顾：空间间接探测正电子超出反质子无超出Nature458,607(2009)PAMELA正负电子总流强ATICFermiLAT正负电子超出，有结构正负电子能谱较硬，无明显结构Nature,456,2008,362-365Phys.Rev.Lett.102:181101,2009HESS正负电子超出，无明显结构Astron.AstronPhys.508,561,2009[arXiv0905.0105]FermiLAT弥散光子未证实EGRET结果低能区结果与预期符合Phys.Rev.Lett.103:251101,2009近期结果包括银河系中心区和各向同性弥散光子能谱，未观察到明显结构近期实验进展回顾：地下直接探测arXiv:0912.3592;SciencexpressCMDS-II„Occurduringatimeofnearlyidealdetectorperformance.Separatedintimebyseveralmonthsandoccurondetectorsindifferenttowers(T1Z5,T3Z4)„Occuroninnerdetectorswherewehaveastrongerhandleofourbackgroundestimate„Recoilenergy:12.3keV(T1Z5),15.5keV(T3Z4)„Confidencelevel~77%,favorlightDM100GeVMinimumcrosssection:7.7*10^44(3.8*10^-44whencombinedwithpreviousanalyzedexposure)@70GeV岳骞上午报告CoGeNT实验结果arXiv:1002.4703DAMACDMS-IICoGent•Germaniumbased440gp-typepointcontact(PPC)detector•Lowthresholdenergy0.4KeV•FavorDMmass7-11GeVWithconfidencelevel~90%Incompatiblewithzero.•Fitdetails:地下直接探测实验显示有轻的暗物质的可能迹象，但有待确认岳骞上午报告暗物质解释？•较大的暗物质作用截面•主要末态为轻子,夸克末态必需被压低暗物质衰变暗物质湮灭Boostfactor？Sommerfeld效应共振态效应Finetuning?Constraints?•Galacticdiff.gamma-ray•Subhalostructure•CMBDM分布局部不均匀性天体物理解释？•Pulsar,SNR,…•CRinteractionsHu,Yuan,Zhang,Wang,Fan,Bi,0901.1520Luo,Wang,Wu,Zhu,0911.3235Guo,Wu,Zhou,inpreparationYin,Yuan,Liu,zhang,Bi,Zhu,Zhang,arXiv:0811.0176Liu,Yuan,Bi,Li,Zhang,0906.3858宇宙线粒子能谱超出的可能解释Guo,Wu,PRD09WIMPBoostfactor来源:量子索末菲效应暗物质之间的长程吸引相互作用可导致低温时暗物质湮灭截面提高（零质量极限）存在的限制•长程力可导致暗物质分布结构变化•影响暗物质剩余丰度•产生大的增强因子需要一定的finetunningYuan,Bi,Liu,Yin,ZhangandZhu,Astro-ph/0905.2736J.L.Feng,et.al,arXiv:0911.0422Boostfactor来源:共振态增强效应存在问题•模型实现有一定难度•对共振态粒子质量存在较大的finetunningGuo,Wu,PRD79,055012Ibe,Murayama,Yanagida,PRD79,095009,2009Bi,He,Yuan,Astro-ph/0903.0122暗物质模型构造如何实现暗物质的稳定性？1.引入额外分立对称性1.最小超对称，额外维度，littleHiggs等2.Z_2对称性2.利用量子场论基本对称性…利用宇称（P），粒子-反粒子变换对称性（C）…规范场custodial对称性等Wang,Guo,Wu,Zhou,Zhuang,PRD79,055015P和C等场论基本对称性及破缺与宇宙中重子物质的起源联系密切，有可能也联系到暗物质的起源。一类最简单的暗物质模型SMSM2HDMLRMScalarDMScalarDMStabilitysetbyhandStabilityprotectedbyCPMinimalmodelsforDM（C，P对称性明显破缺）e.g.Guo,Wang,Wu,YFZ,Zhuang,PRD79,055015(2009);Left-rightmodelswithscalarDM（C，P对称性自发破缺）e.g.Silveira,Zee,1985McDondald,1994,Burgess,Pospelov&Veldhuis,2001Barger,Langacker,KcCaskey,2007Shafi,Okada,2009He,Li,Tsai,2007,2009左右对称模型中暗物质的稳定性规范对称群：粒子内容（标量部分）P和CP变换性质对称性禁戒的相互作用-〉暗物质粒子稳定DMparticleWang,Guo,Wu,Zhou,Zhuang,PRD79,055015模型中粒子间相互作用BeforesymmetrybreakingAftersymmetrybreaking„RequirethatS_DobtainnoVEV„S_Disstillstableduetothegaugesingletnaturedominantpart:C-andP-eventinypart:C-oddGuo,Wu,YFZ,arXiv:1001.0307暗物质粒子湮灭与热力学剩余丰度MainannihilationchannelsThermallyaveragedcrosssection&relicdensity对直接探测截面的预言„Parameterspacefromrelicdensity„Predictionfordirectdetectionrateonebi-doubletcasetwobi-doubletcaseGuo,Wang,Wu,YFZ,Zhuang,PRD79,055015(2009);大的轻夸克Yukawacoupling情况•模型中第二个bidoublet与轻夸克的耦合可以较大•由此预言的弹性散射截面可以达到目前CDMS-II的上限对称性软破缺可导致暗物质粒子微小衰变„GenericsoftC-breakingtermGuo,Wu,YFZ,arXiv:1001.0307•暗物质通过三重态(Triplet)衰变•Triplet通过Yukawa作用只耦合到轻子。•Triplet与规范粒子和希格斯粒子作用被压低。•对中微子和弥散光子流强有新贡献，有可以被实验检验的新预言解释正负电子超出•DM质量主要影响“峰”的位置。•DM寿命主要影响“峰”的高度。•末态为轻子时能谱较平滑，接近Fermi结果。•电子末态谱的结构较突出，接近ATIC结果。Guo,Wu,YFZ,arXiv:1001.0307预言新的宇宙线中微子源Triplet与同样强度耦合到轻子和中微子中微子引起的up-goingmuonflux可接近目前实验限Guo,Wu,YFZ,arXiv:1001.0307InverseComptonscattering(ICS)Finalstateradiation(FSI)Virtualinternalbremsstrahlung(VIB)ICSFSIVIBICSICSICSFSIFSIFSIVIBVIBVIBGuo,Wu,YFZ,arXiv:1001.0307预言新的弥散伽玛射线源小质量差情况大质量差情况依赖于质量差总结和展望„近期空间及地下暗物质实验和LHC的重新启动推动当前国内外暗物质的理论研究处于非常活跃的状态。„国内已经在暗物质模型湮灭/衰变模型构造（如左右对称模型，超对称SU(5),扩展的最小超对称）；暗物质的湮灭机制（如Sommerfeld效应，Breit-Wigner共振态增强效应）实验结果的唯象分析（模型无关暗物质的轻子衰变分析及整体拟合，弥散光子信号，高能中微子信号）等方面开展了研究工作，取得了一批成果。„研究发现暗物质的稳定性可以来自量子场论的基本对称性，可在左右对称模型中实现。该模型可解释PAMALA,Fermi/ATIC等结果并对中微子及光子信号给出预言。„将进一步在暗物质起源，暗物质探测，和相关新物理唯象，LHC上的暗物质产生及探测等当面开展工作，并推动我国的暗物质地下及空间探测实验研究。谢谢！