暗物质探测与相关对撞机新物理唯象学研究

The evidences of dark matter imply the existence of new physics beyond the standard model. The problem of identifying the nature of dark matter particles and revealing the underlying new physics is a big challenge in the frontier of fundamental physics. In this study, we will try to explore the properties of dark matter particles by using the results from many experiments in three approaches, namely indirect detection, direct detection, and collider detection. The main contents include: 1) discussing the signatures at different dark matter searches induced by particular interactions between dark matter particles and standard model particles, and studying the connections among different approaches; 2) studying potential capabilities of future dark matter searches; 3) investigating the signatures of dark matter particles and other new particles at colliders including the LHC, future high energy hadron colliders, and electron-positron colliders, and studying the phenomenology of new physics models related to dark matter, and setting constraints on them.

暗物质的观测证据预示着超出标准模型新物理的存在。确定暗物质的本质，揭示其背后深层次的新物理规律是当今基础物理前沿重要的课题。本项目利用国内外一系列重要的暗物质探测实验的结果，包括直接探测，间接探测和对撞机探测，来分析暗物质粒子的性质。本研究的主要内容包括：1）分析特定暗物质-标准模型粒子相互作用在不同暗物质探测实验上可能的信号，研究不同探测之间的关联；2）研究未来暗物质探测实验对信号的探测能力；3) 在LHC和未来高能量强子和正负电子对撞机上，研究如何搜寻暗物质粒子和相关新物理粒子的信号，分析相关的新物理唯象学，并对这些理论进行约束。

本项目主要研究暗物质粒子的性质，以及相关的超出标准模型新物理唯象学和高能天体物理。具体的工作包括：1）研究未来高能正负电子对撞机和高能强子对撞机上的暗物质和新物理信号。我们系统的分析了一类包含额外电弱多重态的暗物质模型，分析CEPC的Higgs精确测量对模型的可探测性。我们研究了SPPC对一种电弱多重态模型和一类包含新矢量中介粒子模型中暗物质粒子信号的可探测性。我们还提出了一种在未来高能正负电子对撞机上测量暗物质粒子质量的方法。2）利用LHC实验结果，结合暗物质直接探测和间接探测研究暗物质和新物理模型。在CMS和ATLAS公布疑似750GeV双光子超出的结果后，我们研究了新粒子与暗物质存在耦合的简化模型。结合其它暗物质探测结果，我们发现解释双光子超出的参数区间受到很强限制。我们还利用LHC超对称探测结果和其它暗物质探测结果分析了NMSSM中以singlino为主的暗物质信号。3）与Fermi-LAT伽马观测有关的暗物质研究。我们提出了一种结合Fermi-LAT矮星系伽马观测和运动学观测，对速度依赖暗物质湮灭截面进行限制的方法。我们还利用Fermi-LAT各向同性伽马观测对暗物质湮灭和衰变进行限制。4）与宇宙线带电粒子观测相关的暗物质和宇宙线研究。我们利用Breit-Wigner机制的速度依赖暗物质湮灭来缓和正负电子超出暗物质解释与矮星系伽马观测和CMB观测限制之间的冲突。DAMPE正负电子总能谱结果公布后，我们利用暗物质湮灭和单一脉冲星解释实验结果，发现能谱拟合本身不能区分两种图像。我们还细致研究了邻近已知天体源对高能电子能谱和各向异性观测的贡献。在本项目资助下，共发表SCI研究论文22篇，Inspire上他引次数330次。我们认为本项目基本完成了预期目标。