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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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αD有关,因不受ϵ影响。通常,由于αD可以比较大,该湮灭道足以提供暗物质需要的湮灭截面。而媒介粒子与可见世界的耦合强度ϵ很小,因而直接探测实验的信号非常的小。所以人们可以解释暗物质直接探测实验的零结果。此类模型成为隐匿的暗物质湮灭模型[11]Us3拜客生活常识网


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当暗物质质量低于暗光子质量时,暗物质可以通过暗光子湮灭到标准模型费米子对。其湮灭截面可以近似的表示为Us3拜客生活常识网


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这种情况下,如果湮灭截面大到足以解释暗物质宇宙丰度,它通常意味着暗物质直接探测实验中较大的暗物质散射截面。在这种情况下,大部分的参数空间已经被当前暗物质实验XENONnT和我国的PandaX-4T、CDEX等实验排除了。一个可能的存活区间是暗光子质量正好是暗物质质量的2倍,这样湮灭截面存在共振增强,使得较小的耦合系数也能满足宇宙丰度要求,进而减小了暗物质与可见物质散射截面。Us3拜客生活常识网


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5、暗光子的探测现状Us3拜客生活常识网


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由于暗光子和可见物质有耦合,我们可以直接通过可见物质世界来搜寻暗光子。Us3拜客生活常识网


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5.1 暗光子质量大于2倍电子质量Us3拜客生活常识网


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当暗光子质量大于2倍电子质量时,其可见物质衰变分支比是确定的。该质量区间的暗光子理论计算和实验探测已经有相当多的研究。根据暗光子在不同探测器上的产生和衰变过程,可以将实验探测分为(a)对撞机实验和(b)固定靶实验。图3显示了当前各种实验对高质量暗光子的耦合系数大小的限制。Us3拜客生活常识网


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(a)对撞机实验:这一类实验是寻找暗光子衰变到Us3拜客生活常识网

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的末态,通过不变质量谱来寻找暗光子的信号。不同的实验暗光子的产生机制不同:KLEO、BaBar、BESIII实验室通过正负电子湮灭得到暗光子。在质子-质子对撞机上Us3拜客生活常识网

(例如,LHCb和CMS),根据暗光子质量的不同,可以通过介子衰变(当暗光子质量很轻时),轫致辐射和Drell-Yan过程产生暗光子,并探测其衰变的轻子对。Us3拜客生活常识网


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图3:质量大于2me,全部衰变到可见物质的暗光子现有实验限制结果[8]和未来实验的灵敏度[12]

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