暗物质粒子的唯象学研究

Dark matter research is the frontier of particle physics, nuclear physics and astrophysics. To study the particle properties of dark matter in dark matter experiments is the primary goal of dark matter research. In this research proposal, we plan to analyze the most recent results in dark matter direct detection experiments, including PandaX and LUX experiments, to constrain the scattering cross section between dark matter and the standard model particles. We will consider nuclear response functions, uncertainties in dark matter velocity distributions, as well as different dark matter particles in the direct-detection analysis. We will also analyze data from dark matter indirect detection experiments to probe the annihilation cross section or decay width of dark matter. To constrain dark matter models, we plan to study various cosmic rays measured by AMS-02 experiment. We plan to analyze the Fermi photon data to study the velocity dependence in dark matter annihilations. We also plan to investigate dark matter self-interaction cross section using astrophysical observations at small scales. At the end, we will try to probe the particle nature of dark matter based on the above various dark matter experiments, including direct detection, indirect detection, and astrophysics observations. Meanwhile, we will also build particle dark matter models to explain phenomena observed in various dark matter experiments.

暗物质研究是粒子物理、核物理以及天文物理学界关注的前沿研究领域。从暗物质实验观测中研究暗物质的粒子性质是目前暗物质研究的主要目标。本项目拟利用最新的暗物质直接探测实验的观测（包括PandaX实验和LUX实验等），来限制暗物质与标准模型粒子的散射截面。在此分析中，我们将考虑核响应函数、速度分布不确定性、以及不同暗物质类型等因素。本项目还将利用间接探测实验的观测来探讨暗物质的湮灭截面或者衰变宽度。我们将综合分析AMS-02实验测量到的各种宇宙线测量数据来约束暗物质模型。我们计划独立分析Fermi光子数据，来寻找暗物质湮灭截面的速度依赖关系。此外，本项目计划利用宇宙小尺度的观测数据来研究暗物质的自相互作用。最后，我们计划通过综合分析不同暗物质实验（直接探测、间接探测、以及天文学观测）的结果来探索暗物质的粒子属性。同时，我们也将尝试构建暗物质粒子模型来解释不同暗物质实验中的现象。

宇宙天文学观测表明宇宙中存在暗物质。探测暗物质的粒子性质是超出标准模型研究的重要方向之一。在资助期内，本项目开展了多项和暗物质相关的研究工作，包括暗物质直接探测研究，暗物质间接探测研究，暗物质对撞机探测研究，暗物质宇宙天文学探测研究等。1）在暗物质直接探测研究方面，构建暗物质理论模型来解释近来Xenon1T实验观测到的电子反冲事例超出。2）在暗物质对撞机探测研究方面，提出了在BESIII和Belle-II等电子对撞机上来寻找微小电荷粒子的新方案；研究了未来LHC上的各类寿命前沿探测器（包括FASER，FACET，高精度时间探测器等）对长寿命暗光子的灵敏度；研究了Belle-II和CEPC等电子对撞机上对不同暗物质模型的灵敏度。3）在暗物质间接探测研究方面，构建不同的理论模型来解释近来DAMPE卫星实验观测到的高能电子超出现象，还分析了HESS实验和Fermi实验的伽马射线数据对暗物质模型的约束。4）在暗物质宇宙天文学探测研究方面，构建暗物质理论模型解释近来EDGES实验观测到的宇宙氢原子21cm观测反常。受本项目支持，课题组成员目前已发表13篇学术论文，另外还有3篇论文正在投稿阶段，其中有2篇发表论文被引用40次以上。