暗物质简介

暗物质简介张宏浩在1930年代，Zwicky用Virial定理分析在后发星系团(ComaCluster)的星系的运动速度，他发现它们的速度太快了，可见物质的质量不足以解释这么快的速度，为此他引入了约10倍于可见物质质量的“暗物质”。暗物质之父：Zwicky2在1970年代，Rubin研究了漩涡星系的旋转曲线，她发现v随r的变化曲线并未遵循牛顿力学的预言，而是几乎平坦的：速度仍然太快了！这个现象可以用暗物质或者MOND理论解释。暗物质之母：Rubin34我以前的讲课板书56修正的牛顿动力学（MOND）之一根据星系旋转曲线A：牛顿力学预言的旋转速度v∝r^(-1/2)B：实验观测到的旋转速度v≈Const.7修正的牛顿动力学（MOND）之二MOND理论假设牛顿第二运动定律在加速度极低时修正为：力与加速度的平方成正比8修正的牛顿动力学（MOND）之三9修正的牛顿动力学（MOND）之四在2004年发现的子弹星系团(bulletcluster)，通过X射线探测到的是红色的可见物质，看来是两个星系相撞；通过弱引力透镜探测到的质量分布是蓝色的部分（可解释为暗物质），可知它们的相互作用非常微弱，几乎直接穿过去了。用MOND理论解释这一现象有困难，除非也引入暗物质10bulletcluster(2004)trainwreck(2007)babybullet(2008)1112由弱引力透镜观测结果知，在银河系内的大质量致密晕天体（MAssiveCompactHaloObjects，MACHOs）对银河系暗物质晕的贡献小于8%，这表明在银河系中暗物质的主要成分不是MACHOs这样的重子暗物质，而应该是非重子暗物质。进一步可推测，在宇宙中的暗物质主要成分也是非重子暗物质。13141516暗物质粒子的脱耦在运动学脱耦之后，暗物质粒子不再与背景等离子体有动量交换，因此暗物质粒子的质量扰动开始随时间对数增长，逐渐形成结构。17非重子暗物质的脱耦时间比重子的脱耦时间更早！18192021201322232425262728293031323334暗物质的性质仍然是一个开放的科学问题ChrisQuigg列出的十大科学难题：•对暗物质的研究涉及粒子物理、宇宙学、天体物理等多个学科暗物质的直接探测暗物质的间接探测高能对撞机的探测器与粒子重建暗物质的对撞机探测暗物质与标准模型费米子的有效相互作用•当相互作用过程的转移动量远小于媒介粒子质量时，相互作用可以用有效理论描述。•使用有效理论，通常能够把握研究问题的基本特征，与模型细节相对无关。•我们分别假定暗物质由自旋为0,1/2,1或3/2的粒子组成，用有效算符描述暗物质粒子与标准模型费米子的相互作用，把直接探测、间接探测和宇宙学丰度的实验结果综合在一起进行比较•我们发现，在不同情况下，各类暗物质实验的灵敏度有些差别，具有一定的互补性Nucl.Phys.B854(2012)350-374Nucl.Phys.B860(2012)115-151自旋为0的暗物质粒子黄色区域为考虑到可微扰条件时有效理论不成立的区域自旋为1/2的暗物质粒子自旋为1的暗物质粒子自旋为3/2的暗物质粒子已经有这么多暗物质模型了在高能物理数据库SPIRES，“暗物质”论文数量多达四千多篇为什么还要考虑这一个暗物质候选模型：最小暗物质模型？最小暗物质模型只有一个参数：暗物质质量M，具有可预言性！最小暗物质(minimaldarkmatter)模型[Cirelli,etal.,hep-ph/0512090]•在标准模型基础上引入一个SU(2)L×U(1)Y多重态•多重态的电中性分量是暗物质候选粒子最小暗物质(minimaldarkmatter)模型•在标准模型基础上引入一个SU(2)L×U(1)Y多重态•多重态的电中性分量是暗物质候选粒子•电弱圈图修正使带电分量的质量比中性分量大•若多重态所在表示维数n足够高，电弱规范对称性会禁戒多重态与标准模型粒子的耦合，使暗物质稳定费米子：n≥5标量：n≥7这是一种偶然对称性(accidentalsymmetry)，比人为地引入Z2对称性的一般方法显得更加自然[Cirelli,etal.,hep-ph/0512090]•多重态的引入会影响弱耦合常数g2的跑动。如果要求g2能够一直到普朗克能标都不遇到朗道极点，可以给出n的上限。Majorana费米子：n≤5实标量：n≤8•不过，标量多重态的情况没这么简单。标量多重态存在多种自相互作用，以及与Higgs场的相互作用。•最近有研究[Hamada,etal.,arXiv:1505.01721]表明，七重态标量的四次自相互作用耦合常数在108GeV能标处就会遇到朗道极点。•我们进一步研究了在什么情况下可以将朗道极点提升到更高能标上。Phys.Rev.D92(2015)115004七重态实标量最小暗物质模型七重态实标量动能项和规范耦合项势能项Higgs场破缺后，第五项会贡献到七重态树图质量上：当m0mZ时，一圈图引起的质量劈裂为为零时，暗物质遗迹密度(relicdensity)观测值对应于m0=8.8TeV(不考虑索末菲效应)m0=25TeV(考虑索末菲效应)这一项被大多数文献忽略在处加入七重态实标量之后的beta函数（系数非常大！）标准模型耦合常数的beta函数若，朗道极点能标若，(不满足真空稳定性)，真空稳定性条件：对于对于为了提升朗道极点能标，引入1个三重态费米子场和1个五重态费米子场，与七重态标量场发生Yukawa耦合7-3-5模型三重态费米子场可通过第二项构建type-IIIseesaw机制对beta函数的影响：我们发现，y的跑动与g2的跑动强烈相关。当y的取值为时，可得。否则y的朗道极点将早于g2的朗道极点出现。若允许精细调节初值，至多可将朗道极点能标推迟到。精细调节y的初值，将耦合常数演化至1014GeV（略低于朗道极点能标），则可用真空稳定性和微扰性条件限制七重态的耦合常数直接探测实验LUX、间接探测实验Fermi-LAT、真空稳定性和微扰性条件对模型参数的限制