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暗光子:开启暗物质世界的一枚钥匙?

常驻编辑 科普中国 2022-08-29 暗物质   光子   费米   世界   相互作用   粒子   模型   钥匙   物质   质量   标准
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除开此类暗光子,如果暗光子是无质量的,那么场强耦合项可以导致标准模型光子 (γ) 耦合到暗规范群U(1)D的对应流,耦合强度为ϵe',这类模型被称为毫电荷 (Milli-charged) 模型。最后一种情况是,暗光子直接耦合到标准模型的费米子,例如重子数减去轻子数作为荷的U(1)B-L模型,或者不同轻子代数之差作为荷的U(1)Li-Lj模型[9]。我们下面将主要介绍动力学混合的暗光子。Us3拜客生活常识网


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3、暗光子的衰变和产生Us3拜客生活常识网


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对于有质量的暗光子,其质量的参数空间很大,一般的以2倍的电子质量作为一个分水岭(电子是标准模型中质量最小的带电费米子)。大于2倍电子质量的暗光子通过与标准模型光子或者Z玻色子的混合可以衰变到标准模型的各种粒子。小于2倍电子质量的暗光子只能衰变到三个光子,并且衰变宽度受到极大压低,因此极低质量的暗光子可以作为暗物质的候选者。除此以外,如果暗光子的质量大于暗物质世界相互作用流J'μ里面的暗物质质量,那么暗光子衰变到暗物质,对于可见世界是不可见的。Us3拜客生活常识网


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由于迄今为止实验只可观测标准模型粒子,所以文献上一般给出暗光子衰变到可见物质的分之比(Us3拜客生活常识网

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)。如图1所示,暗光子总的衰变宽度Us3拜客生活常识网

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正比于暗光子质量。当暗光子质量Us3拜客生活常识网

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,它的衰变分支比与暗光子的质量有关。因为不同的质量的衰变道有所不同。当暗物质质量Us3拜客生活常识网

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,暗光子将会衰变到夸克和轻子,而不再是介子。此时,暗光子的各种分支比接近常数,不再随暗光子质量发生大的变化,除非有新的标准模型粒子衰变道打开。Us3拜客生活常识网


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图1:动力学混合的暗光子衰变到标准模型粒子的分支比[10]Us3拜客生活常识网


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有质量的暗光子可以在高能粒子碰撞和对撞实验里面产生。根据暗光子和标准模型的相互作用以及不同的实验初态的不同,其在探测器上主要涉及的产生过程包括:1)轫致辐射;2)正负电子湮灭;3)介子衰变;以及 4)Drell-Yan过程。Us3拜客生活常识网


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