中微子质量与暗物质粒子的唯象学

The tiny mass of neutrinos and the dark matter as the dominant component of matter in the universe provide direct evidence for the existence of new physics beyond the standard model of particle physics. The origin of neutrino masses and nature of dark matter particles are the common important issues in particle physics and cosmology. This project aims to investigate the issues within a unified theoretical framework. Namely, the tiny mass of neutrinos originates from quantum effects of interactions with dark matter particles because of symmetry restrictions, and the same symmetry preserves the stability of dark matter. Various theoretical attempts based on discrete, global, and spontaneously broken gauge symmetries will be analyzed with emphasis on their pros and cons. And their phenomenological consequences will be comprehensively studied. Requiring that the neutrino oscillation data and the relic density of dark matter be saturated, the constraints on unknown parameters from electroweak precision rests and low energy processes of leptons etc will be incorporated. The characteristic signals revealing specific models at high energy colliders will be selected by simulation, and cross sections of dark matter scattering against nuclei will be calculated, and the impact of dark matter on cosmic rays will be simulated. The results will be compared with the data coming from Large Hadron Collider (LHC), direct and indirect detection experiments of dark matter, so that theoretical ideas can be tested and our understanding of new physics will be deepened.

中微子有微小质量、宇宙中的主要物质成分是暗物质，是存在超越粒子物理标准模型新物理的直接证据。中微子质量的起源、暗物质粒子的属性是粒子物理学和宇宙学共同的重要课题。本项目将在同一个理论框架内研究这两个问题，即：因为对称性限制，中微子微小质量起源于与暗物质粒子相互作用的量子效应，而同一个对称性保证了暗物质的稳定性。我们将分析借助于分立对称性、整体的和自发破缺的定域对称性的各种理论尝试的利弊，对它们的唯象学后果做综合研究。具体包括：在满足中微子振荡实验、暗物质遗迹的前提下，分析电弱精确测量、轻子低能物理过程等对未知参数的限制，模拟、挑选在高能对撞机上能揭示理论模型的特征信号，计算暗物质与原子核碰撞截面，模拟暗物质对宇宙线的影响，并将结果与大型强子对撞机（LHC）、暗物质直接探测和间接探测数据对照，以达到检验理论、加深对新物理的认识之目的。

实验观测表明，中微子有微小质量，宇宙中物质的主要成分是暗物质。中微子质量起源、暗物质粒子的属性是粒子物理学和宇宙学共同的重要课题。本项目围绕这个课题，展开了较系统的唯象学研究，并在此基础上，进行了有效场论方面的扩展研究。主要研究内容和结果归纳如下。（1）设想中微子质量与暗物质粒子有共同的起源。比如，中微子通过与暗物质粒子相互作用，在量子水平获得自然小的质量，暗物质粒子由于受对称性保护成为稳定粒子。本项目在这个理论框架下展开了较系统的研究，三个典型结果简述如下。（1a）研究了具有Z3对称性的暗物质模型唯象学，包括暗物质遗迹、直接探测、银心伽马线超出等限制以及LHC信号。结果表明，Z3对称性特有的半湮灭和共湮灭机制能有效缓解遗迹丰度与直接探测实验之间的紧张关系，而LHC上的三轻子信号能给出目前最强的限制。（1b）研究了中微子质量产生的辐射type II机制，发现在满足暗物质和Higgs粒子不可见衰变等限制下，暗物质粒子质量在三个区域难以被当前、甚至未来的实验排除。针对典型的参数点，在积分亮度为100/fb时，三轻子信号可以达到5σ水平。（1c）研究了具有经典标度不变性的暗物质与中微子质量模型，试图通过辐射效应产生电弱对称性自发破缺，同时利用暗物质的Z2对称性在量子水平上诱导出中微子微小质量。在考虑了各种观测的综合约束后，利用未来高积分亮度LHC的数据，有希望在双轻子道探测到新物理信号。这些研究结果促进了对中微子质量与暗物质粒子共同起源的认识，对后续理论与实验研究有参考意义。（2）由于Majorana中微子导致轻子数不守恒，本项目进行了有效场论方面的扩展研究。在标准模型有效场论中，确立了量纲为7算符的正确基底，完成了其单圈重整化群的计算，估计了重整化群跑动对质子衰变（重子数、轻子数破坏，但它们之和守恒）、带电K介子的轻子数破坏衰变的影响。在包含较轻惰性中微子的有效场论中，确立了量纲为6和7算符的正确基底。这些研究结果为后续的唯象学研究奠定了理论基础。