超对称暗物质自相互作用的唯象研究

There are many obstacles in weakly interacting massive particle (WIMP) dark matter scenario, these obstacles can be solved by introducing strong interaction between the dark matter which can give Sommerfeld enhancement, bound states and Isospin violating interactions. Also it can interpret the small cosmological scale simulations. This projects will first study and improve the self-interacting dark matter theory. After that we try to apply the theory to supersymmetric dark matter models, and use the detection limits from colliders, direct detection and cosmic rays to constrain the supersymmetric models. Finally, we use appropriate symmetry breaking mechanism to realize the electro-weak supersymmetric models. The innovation of the project is to generalize the U(1) gauge interacting Dirac fermion to Majorana fermion under the Yukawa potential, using the dark matter and collider detections to study the supersymmetric models for the grand unified theory.

冷暗物质模型在解释直接探测和间接探测结果时面临着多重困难，这些困难可以通过暗物质之间的较强自相互作用来解决。自相互作用可以带来索末菲抬高，组成暗物质束缚态，同位旋依赖相互作用等，同时也可以解释宇宙小尺度模拟问题。本项目首先要详细研究并推广暗物质自相互作用理论，然后探索在超对称唯象模型中实现暗物质自相互作用机制；通过暗物质探测，天文观测，对撞机实验来限制超对称模型，解释宇宙小尺度模拟问题等；最后通过合适的超对称破缺机制来给出唯象模型的理论起源。项目的创新之处在于将通常的狄拉克暗物质粒子U(1)规范相互作用推广为马约拉纳暗物质粒子汤川相互作用，通过暗物质，对撞机实验来全面研究超对称暗物质模型的可能性。超对称唯象模型的实现为粒子物理标准模型和大统一理论提供支持。

宇宙学小尺度问题是当前暗物质领域亟待解决的重要问题，本项目计划利用超对称单态扩充模型暗物质自相互作用来详细探究其解决小尺度问题的可能性。在项目研究经费的支持下，项目团队按照原定计划在超对称暗物质自相互作用领域做了大量研究工作，同时又在宇宙线暗物质、轻暗物质唯象研究，对镜像双希格斯二重态模型和额外维模型等新物理模型领域做了深入探索。项目支持完成的工作主要有：1. 深入研究超对称单态扩充模型在满足自相互作用前提下的对撞机唯象，详细计算了标准模型希格斯粒子的不可见衰变模式以及最新暗物质实验结果如PANDAX实验对模型参数空间的限制。2. 研究有体积暗物质自相互作用实现，利用周杨模型获得了更好的有体积暗物质模型。3. 探索轻于1GEV暗物质的探测可能。这其中包括宇宙线暗物质动量传递效应、自旋依赖高速运动暗物质截面计算、动量依赖的米格代尔（Migdal）效应计算。4. 研究了暗物质湮灭解释“悟空号”1.5TeV观测尖峰的可能性。5. 在蜃景中介模型中实现了任意低能标度的超对称破缺机制，并研究了蜃景模型在重整化群跑动效应以及次最小超对称标准模型的软破缺项的起源。同时也研究了次最小超对称模型的第二型跷跷板机制。6. 研究其他超出标准模型如镜像双希格斯二重态模型的对撞机唯象，B介子反常衰变过程中新物理效应等等。研究组基本上全面实施执行了项目计划。截止到2021年底，项目团队总共撰写论文17篇，其中正式发表12篇。出版学术译著一部，填补了国内暗物质基础教学领域空白。共培养硕士8人，在读硕士研究生6人，在读博士生2人。共举办100余场学术报告活动，其中有四场大学学术会议。研究取得了创新性成果，对相关研究前沿有指导意义，在高能物理、宇宙学领域有一定的国际影响。感谢国家自然科学基金支持！