暗物質(zhì)是粒子物理與宇宙學(xué)的一個熱點前沿方向。天文學(xué)和宇宙學(xué)觀測表明，非重子的暗物質(zhì)在宇宙的全部物質(zhì)中占據(jù)主導(dǎo)地位。然而，粒子物理的標準模型卻無法為暗物質(zhì)提供候選粒子，這預(yù)設(shè)著可能超出標準模型新物理。當前主流的一類暗物質(zhì)理論是在標準模型之外引入一個弱相互作用大質(zhì)量粒子(WIMP)，它的產(chǎn)生機制是所謂的熱脫耦，即在宇宙早期，暗物質(zhì)粒子兩兩湮滅并和標準模型粒子發(fā)生散射從而處于熱平衡態(tài)，但隨著宇宙的膨脹和冷卻，在某個溫度之后，暗物質(zhì)被稀釋以至于無法再湮滅，于是它們在共動坐標系中的數(shù)量就固定了下來，演化至今天形成當前的暗物質(zhì)遺跡。然而，在最近十多年來，暗物質(zhì)直接探測實驗的靈敏度提高了很多個數(shù)量級，卻沒有探測到信號，這就對WIMP暗物質(zhì)理論提出了挑戰(zhàn)。這啟發(fā)人們思考，暗物質(zhì)有沒有可能不是簡單的WIMP？暗物質(zhì)是不是非熱產(chǎn)生的？
希格斯是粒子物理前沿的焦點問題之一。自從歐洲核子中心的大型強子對撞機實驗在2012年發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子，對希格斯玻色子性質(zhì)的研究就成為了粒子物理學(xué)界的一個中心問題。在標準模型中，希格斯粒子是一個基本的標量場，它的一個理論缺陷是著名的規(guī)范等級問題，即假如標準模型能夠適用到很高的能標例如普朗克能標，那么不受任何對稱性保護的希格斯粒子的質(zhì)量為何只有125GeV？這個問題的一個簡單的解決方案就是認為希格斯粒子是類似于強子模型中的介子，是由更基本的“夸克”通過某種新的強相互作用而形成的束縛態(tài)，這類模型被稱作復(fù)合希格斯模型。
圖 1
近日，我校物理學(xué)院張宏浩教授、蔡成豐博士及其合作者提出了一種基于真空非對齊的新的暗物質(zhì)非熱產(chǎn)生機制，這一機制可以適用于包括復(fù)合希格斯在內(nèi)的一大類模型。真空非對齊是對稱性自發(fā)破缺的一種方式，如圖1(a)所示。我們以一個簡化的復(fù)合希格斯模型為特例闡述了機制的運作方式。在高溫時，電弱真空隨手征對稱性破缺而發(fā)生大的破缺，真空非對齊角在一段時間內(nèi)維持在90度，即對應(yīng)于一個無希格斯粒子(Higgsless)的真空。此時希格斯場會與模型中其它的贗南部-戈德斯通玻色子組合成一個質(zhì)量復(fù)標量場，假定這個復(fù)標量可以攜帶一個新的U(1)對稱性的非零荷，則它在這個真空中不會完全衰變?yōu)闃藴誓Ｐ偷牧Ｗ?。如果模型中還有一些暗物質(zhì)粒子也帶有這個U(1)對稱性的荷，那么希格斯場在這個真空中與暗物質(zhì)受到相同對稱性保護，同屬于所謂的暗的部分。如果引入的新的U(1)對稱性是電弱反常的，則在發(fā)生電弱相變時可通過sphaleron不對稱地產(chǎn)生正反暗物質(zhì)，之后正反暗物質(zhì)會互相湮滅，直到反物質(zhì)（或正物質(zhì)）被全部湮滅，而最終殘留的部分就可作為宇宙的暗物質(zhì)遺跡。在我們的理論機制中，暗物質(zhì)遺跡的不對稱產(chǎn)生是在無希格斯真空下發(fā)生的，但隨著溫度的降低，真空非對齊角會開始變小并最終演化為今天的標準模型真空，真空非對齊角隨溫度的變化參見圖1(b)，而暗的U(1)對稱性也隨之發(fā)生自發(fā)破缺。在真空非對齊角開始偏離90度時，希格斯粒子開始從暗的部分中分離出來，也就是說希格斯粒子有可能在較高溫度時曾經(jīng)屬于暗的一部分，但在溫度降低后從暗的部分中演生出來，成為一個不穩(wěn)定的實標量粒子。另一方面，還有一些復(fù)合暗物質(zhì)粒子因為受到一個Z_2對稱性的保護而不會完全衰變?yōu)闃藴誓Ｐ土Ｗ?，它們雖然在無希格斯真空下是復(fù)標量場，但在標準模型真空下卻會劈裂為兩個有質(zhì)量差別的實標量場，于是通過Z規(guī)范玻色子與原子核散射的過程被運動學(xué)禁戒，從而不會受到很強的直接探測限制。我們的理論機制預(yù)言，總會存在一個輕的贗標量粒子，這對暗物質(zhì)直接探測如Xenon1T實驗、宇宙學(xué)觀測、超新星觀測以及在對撞機實驗中探測“Z規(guī)范玻色子衰變到光子及這個贗標量粒子”過程等結(jié)果都有深遠的影響，從而可以得到檢驗。這項研究成果于2020年7月8日在線發(fā)表在Phys.Rev.Lett.125,021801(2020)上。
此項研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委的面上項目、青年科學(xué)基金，中國博士后科學(xué)基金面上項目，中山大學(xué)青年教師重點培育項目，以及中山大學(xué)物理學(xué)院的大力支持。
論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.021801
