暗物质是当今物理学前沿的基本问题之一。物理学家提出了多种暗物质模型，本文将介绍其中一种——暗光子。它是一种矢量规范玻色子，有着与光子类似的特性，并且其质量范围较广。暗光子首先是作为连接可见物质世界和暗物质世界的媒介粒子，同时也可以作为暗物质粒子本身。目前多项实验给出了暗光子和可见物质耦合限制，包括加速器实验、天体物理观测实验等，尽管还未直接探测到暗光子，但该领域仍有广阔的探索空间。暗光子或许是开启暗物质世界的一枚钥匙。
撰文 | 刘佳（北京大学）、王小平（北京航空航天大学）
如何通过可见物质寻找暗物质是当今粒子物理的前沿热点问题。暗光子是理论学家构建的沟通可见物质世界和暗物质世界的媒介粒子之一，它是一个矢量规范玻色粒子粒子，同时它的相互作用与光子基本类似，只和带电荷的粒子进行相互作用，故而被称为暗光子。它可能是通往暗物质世界的桥梁，亦或是暗物质本身。
1、提出暗光子的物理动机
我们的可见物质世界由各种不同的基本粒子构成：组成物质的三代费米子，传递电磁、弱和强相互作用力的矢量规范玻色粒子，以及给予基本粒子质量的希格斯粒子。不同的基本粒子构成各种各样的复合粒子，例如强子（质子和中子等）和介子。最后，多个强子构成原子核，形成了今天丰富多彩的可见物质世界。根据PLANCK卫星天文观测结果显示，暗物质构成宇宙丰度的26%。相比于标准模型可见物质的宇宙丰度 5%，暗物质所占的宇宙能量密度比可见物质大了5倍[1]。因此，人们有理由相信暗物质世界具有丰富的物质结构和多种多样的粒子。但是直到今天，粒子物理的各种实验仍然没有找到暗物质。一种理论认为存在连接暗物质世界和可见物质世界的媒介粒子[2, 3]，这种媒介粒子在暗物质世界的耦合强度和标准模型常见的耦合强度相当，但是它和可见世界的耦合强度很小，因此我们至今没有直接探测到暗物质。这种媒介粒子可能是轴子、类轴子、希格斯粒子或者暗光子等玻色粒子。今天我们主要介绍暗光子的物理模型，它可以提供暗物质世界的规范相互作用。同时，如果暗光子自身的质量低于2倍电子质量的时候，它不能衰变到质量最轻的带电粒子电子。此时，它可以通过圈图衰变到3个光子。结合其微弱的相互作用系数，它的寿命可以超过宇宙的年龄，成为一种暗物质候选者[4-6]。现在大家引用最多的暗光子模型是由1986年由加拿大多伦多大学的Bob Holdom教授提出的，最早的文献可以追溯到19世纪60年代的苏联物理学家Lev Borisovich Okun教授的相关文章。
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