复合希格斯模型的唯象学研究

In cosmology and astrophysics, many phenomenons can not be explained by the standard model of particle physics. The mystery of dark matter is one of the most important phenomenon. Another popular puzzle is the asymmetry of particle and anti-particle. To explain this asymmetry, we need to introduce baryon number violation and CP violation into the model. We also need some processes which are away from thermal equilibrium in the early universe. In the standard model, however, the electroweak phase transition is not strong enough for driving the system away from thermal equilibrium...In this project, we will construct some new models for dark matter based on the Fundamental Composite Higgs Model (FCHM) and study their phenomenologies. In these models, electroweak symmetry breaking is driven by some new strong dynamics, as a benefit of this framework, the gauge hierarchy problem can be solved naturally. In the low energy region, these models are completely determined by symmetries and how the composite sector coupling to the standard model sector, thus they are predictive. Moreover, once the elementary fields content and strong dynamics are fixed in FCHMs, we are not only capable to search them by experiment, but also able to simulate some physical quantities on lattice. In some models, parts of composite scalar fields can play the role as dark matter particles. In this project, we will study the dark matter phenomenology for these models in detail, comparing our theoretical results with current experimental bounds and giving some new predictions for the future searches. We will also systematically study the possibilities of achieving strongly first order phase transition on these models, and reveal its impact on the dark matter phenomenology and baryon asymmetry.

在宇宙学和天文学方面还有许多现象无法被粒子物理标准模型解释，其中一个重要的现象是宇宙中存在大量的暗物质，另一个重要现象是宇宙中的正物质数量远超反物质，要解释这种不对称性除了需要重子数破坏和CP对称性破坏，还需要宇宙经历远离热平衡的过程。然而标准模型的电弱相变强度并不足以达到远离热平衡的状态。.本项目将在基本复合希格斯模型框架下构建新的暗物质模型并讨论其唯象学。这类模型利用新的强动力学实现电弱对称性破缺，并能够自然地解决规范等级问题。该模型框架的低能有效理论几乎完全由对称性以及跟标准模型的耦合决定，且模型参数比较少，有很强的可预言性。此外它有确定的基本粒子组成，除了可以被实验检验外还可以通过格点计算指引研究方向。模型中一部分复合标量粒子有希望作为暗物质的候选粒子。本项目将细致研究模型中的暗物质唯象学并与实验对比，并讨论如何实现强一级电弱相变及其对暗物质唯象学、正反物质不对称的影响。

希格斯玻色子作为粒子物理标准模型中的最后一个粒子已经发现了十周年，然而人们对它的性质依然知之甚少，目前通过对撞机实验仅能确定它是一个质量约125GeV的零自旋玻色子，以及其耦合与标准模型的预言接近，但依然无法确定它是基本粒子还是由更基本的粒子复合而成的。此外标准模型只能解释宇宙中1/6的物质成分，而剩下的5/6是通过天文和宇宙学观测推测存在的暗物质，这些暗物质是由什么粒子构成的，以及它们的性质我们仍然不甚了解。.本项目着眼于复合希格斯模型和新规范相互作用，结合当前最新的暗物质探测和粒子物理实验结果，对希格斯玻色子和暗物质这两个高能物理最热门的课题做了多方位探索。在复合希格斯框架下，我们通过对SU(6)/Sp(6)模型的研究，提出了希格斯玻色子和暗物质粒子都可能是一些更基本的费米子复合而成的赝戈德斯通玻色子，而且在宇宙早期时它们会混为一体。随着宇宙温度降低并发生了一次相变后，希格斯玻色子才从暗物质组分中演生出来并最终成为标准模型中的形态。我们的模型还可以实现暗物质的不对称产生，且预言存在一个很轻的类轴子粒子，该类轴子粒子可以解释XENON1T实验中发现的一个信号，并且该粒子未来可以在Z玻色子衰变实验中被检验。我们也进一步在一些简化模型中对赝戈德斯通玻色子暗物质做了研究，对它在直接探测中可能存在的振幅相消机制的成因做了深入探讨，并将模型推广到了更一般的情况，如包含更多的场和更大的对称性，以及从希格斯接口推广到矢量接口等情形。我们还讨论了它可能引起的电弱相变及相应的引力波信号。.我们还研究了引入新的U(1)或SU(2)规范群的新物理模型。在U(1)模型中，我们发现新规范场与电弱规范场的运动学既能作为暗物质与标准模型粒子相互作用的媒介，也能很好地解释CDF实验中发现的W玻色子质量反常现象。而在SU(2)模型中，我们发现规范场作为暗物质可以有很丰富的唯象学，尤其是它可以实现催化湮灭产生机制，并将暗物质和催化粒子统一起来。