暗物质与新物理若干前沿问题的理论和唯象研究

Although the standard model of particle physics has achieved great success, there still exist some problems such as the hierarchy problem and no solutions to dark matter. These problems imply the existence of new physics beyond the standard model. .In recent years, the high-energy physics experiments, in particular, the dark matter detection experiments have made great progress. They need some guidance and suggestions from a theoretical perspective. .This project will study several interesting topics in the phenomenology of dark matter and new physics, and keep a close connection to experiments. This project includes the following contents: (1) to explore a variety of novel and physically meaningful dark matter models, calculate the models' observables, study their phenomenology and UV completions. (2) to construct some strongly motivated, self consistent and realistic models for dark matter, discuss the stability, anomaly cancellation, unitarity, vacuum stability, Landau pole and other issues, study the connection with hierarchy problem, matter-antimatter asymmetry, etc., and study their phenomenological constraints. (3) to use chiral perturbation theory to calculate the physical observables in some non-perturbatively, strong dynamical models for dark matter, and study the related phenomenology.

粒子物理的标准模型尽管取得了巨大的成功，但仍然存在规范等级问题、不能解释暗物质等问题，这预示着超出标准模型的新物理。近年来，高能物理实验篷勃发展，各类暗物质探测实验取得很大进展，需要从理论的角度上提供一些指导和建议。本项目将紧密联系实验，对暗物质和新物理若干前沿问题进行深入的理论和唯象学研究，具体研究内容包括：（1）探索各种新颖且有物理意义的暗物质简化模型，计算模型的可观测量，研究它的实验信号、限制和背景等唯象学，研究它可能的紫外补充理论。（2）构造具有强烈研究动机、自洽并且现实可行的暗物质基本理论模型，讨论在这个模型的暗物质的稳定性、反常相消、幺正性、真空稳定性、朗道极点等问题，研究它与规范等级问题、正反物质不对称起源等问题的可能关联，并研究它的唯象学限制、实验信号和背景。（3）在涉及强动力学的、非微扰的暗物质基本理论时，用手征微扰论等方法计算有关的物理可观测量，并分析其唯象学。

暗物质的天文学和宇宙学观测证据，以及粒子物理标准模型的Higgs部分的规范等级问题，预示着超出标准模型新物理的可能存在。在本项目的资助下，我们围绕暗物质和超出标准模型的新物理作了系统的研究，主要包括：（1）我们构建并研究了从简单的电弱多重态暗物质，到更为现实和复杂的一些暗物质模型诸如矢量暗物质模型、渐近安全暗物质、复合暗物质、催化湮灭产生的暗物质等，着重研究了它们在对撞机探测通道、暗物质遗迹密度、直接和间接探测、电弱精确测量、Higgs衰变、引力波信号等方面唯象学，还讨论了它们可能的紫外完备理论，以及如何自然得到保护暗物质不衰变的对称性；（2）在理论机制角度，我们研究了暗物质直接探测的相消机制以及如何在这个机制上建立更现实和丰富的模型，研究了暗物质模型中的渐近安全、重整化群跑动、催化湮灭机制、不对称产生机制等等，特别地，我们基于真空非对齐破缺对称性提出了一种不对称产生暗物质的新的理论机制，成果发表在物理学顶级期刊PRL；（3）在涉及强动力学的、非微扰的暗物质模型方面，我们研究了复合Higgs模型中的暗物质候选粒子，它是在对称性破缺之后的pNGB，讨论了这些模型的理论预言、对撞机唯象学、暗物质唯象学、引力波信号和宇宙学影响等；（4）结合实验最新进展，我们用理论模型去尝试解释XENON1T的信号、W质量反常、mu子反常磁矩、B物理反常等新物理迹象，我们还提出了在实验上探测轴子暗物质的新方案。我们的研究成果已整理成28篇的期刊论文，其中有1篇发表 Physical Review Letters，12篇发表在Physical Review D，9篇论文发表在Journal of High Energy Physics。我们的论文成果在国际学术界具有一定的影响力，据高能物理数据库inspire统计，有6篇论文被引用超过了20次。