新物理机制与相关实验检验的研究

Particle Physics has come to a new turning point after the CERN LHC discovery of the 125GeV Higgs boson.The LHC Run-2 has started running at 13TeV collision energy since 2015. It successfully collected new data and published preliminary new results. LHC is expected to obtain important new physics results in this year (including to confirm or disconfirm the diphoton excess around 750GeV). This should point to the right direction for new physics searches. Building upon my current research backgrounds and achievements, I will further study new physics theories and their predictions. Especially, I will closely incorporate the upcoming data from the LHC Run-2 and other on-going experimental searches (including the dark matter experiments, cosmological observations, and neutrino experiments). We will focus on the predictions and searches of new Higgs bosons and dark matter (DM) particles, as well as precision measurements of the light Higgs boson (125GeV). We will study the new physics searches at the future circular colliders (CEPC-SPPC, FCC, and ILC). We plan to systematically analyze various key predictions for new physics signals and experimental tests. We will continue to collaborate with our experimental colleagues, and carry out realistic analyses of new physics signals and backgrounds.

自从2012年CERN LHC 发现125GeV希格斯粒子，粒子物理进入了一个新的转折点。LHC Run-2 于2015年开始在13TeV 对撞能量运行，已成功获取数据并发表了新的初步实验结果。LHC今年预期将取得重要新物理结果（包括确定2015年底关于750GeV新共振峰的初步迹象是否存在)，为探索新物理进一步指明方向。本项目将在申请人原有工作基础上，紧密结合 LHC 的最新实验进展和各种相关的实验探测(包括暗物质实验、宇宙学观测、和中微子实验)，深入研究新物理机制；尤其是125GeV希格斯粒子的性质和各种超标准模型的新希格斯粒子、暗物质起源和暗物质粒子的LHC信号探测和暗物质直接/间接探测。同时将继续研究CEPC和SPPC环形对撞机上的新物理探测。系统分析各种关键实验信号的定量预言和检验，继续与实验同行密切合作，系统地进行新物理信号与背景的研究。

项目期间，我按照此课题计划积极开展研究，取得多项重要成果。这期间多个新物理探测实验取得重要进展：暗物质间接探测实验取得系列新结果，特别是DAMPE 悟空卫星实验发表宇宙线正负电子能谱测量新结果，在1.5TeV处出现一个峰值超出(约3.5σ)。暗物质直接探测实验取得重要进展，最近Xenon1T在电子反冲谱中发现3.5σ反常超出。LHC Run-2于2018年底完成，ATLAS/CMS分别采集150/fb数据，在多个希格斯测量反应道取得5σ发现。与此同时，中国和CERN对高能正负电子对撞机CEPC & FCC预研取得重要进展，分别发布CDR，一致把希格斯工厂作为首要目标。2019年T2K实验组发表中微子Dirac CP破坏测量达到3σ置信度新结果。LIGO于2016年发布首个引力波探测结果。近两年关于宇宙学哈勃常数的早期和晚期测量表明两者之间存在(4-6)σ偏差，引起著名的哈勃疑难。密切结合最新实验进展，本课题组完成了多项重要研究，包括：(1) 首次揭示DAMPE正负电子谱在(06-1.1)TeV区间存在非共振超出，提出了其产生的新机制；对比Fermi-LAT, AMS02, CALET数据进行了系统的自洽分析。针对Xenon1T电子反冲谱的反常超出，提出通过GeV非弹性暗物质EFT表述，成功解释此反常；进一步构造UV模型通过GeV非弹性暗物质和暗光子媒介成功解释Xenon1T反常，并结合多个其他实验限制给出暗物质允许参数空间。(2) 提出通过LHC探测新希格斯粒子的新的双希格斯共振产生道, 已被ATLAS实验组采纳。提出在各种高能正负电子对撞机上探测中性三规范玻色子反常耦合的新方法，分别作为杂志封面文章发表。(3) 提出和证明中微子振荡的LUT几何表述，导出包含物质效应的中微子振荡解析公式和预言，并应用到各种振荡实验(T2K, NOvA, DUNE)。提出TeV标度中微子质量产生与高尺度重子数产生, 并预言非弹性暗物质。(4) 提出两种解决宇宙学哈勃疑难的极为简洁优美的方案：包括中微子自作用的新机制和通过全息暗能量的动力学演化的新机制。提出引力透镜作为在星系尺度直接探测暗能量的一种新方法。