中科院紫金山天文台南京学者提出缪子反常磁矩与宇宙线超出的统一解释

作者:2021/10/09 07:33浏览次数:10

大量天文学和宇宙学观测表明,暗物质(Dark matter)是存在于宇宙中的一种不可见的物质,它是宇宙物质的主要组成部分,但又不属于构成可见天体的任何一种已知的物质,是21世纪最大科学谜题之一。暗物质与暗能量一起被称为是21世纪物理学的两朵新“乌云”,是当前基础研究的重要前沿。世界科技大国都在积极布局开展这方面的研究和探测。

2021年4月7日,费米实验室的E989实验以前所未有的精度测量了缪轻子的反常磁矩(Muon g-2),给出的最新世界平均值与标准模型理论预言值存在4.2个标准偏差!这一结果引起了国际物理学界的广泛关注(当天线上线下参加发布会的有近万人)。另一方面,天文学上通过伽马射线和宇宙射线间接探测寻找暗物质的实验,如Fermi-LAT银心伽马射线兆电子伏数据和AMS-02反质子数据,也发现了较为显著偏离标准天文背景的信号。这些实验结果都强有力的暗示着超出标准模型之外的新物理的存在,可能带来物理学与天文学的新突破!

中国科学院紫金山天文台范一中研究员及其团队(包括蔡岳霖、冯磊副研究员及木拉提·阿不都艾尼博士),与紫金山天文台袁强研究员、南京师范大学武雷教授通过详细分析上述三个实验/观测结果以及对撞机实验限制,发现这三个反常信号均与暗物质紧密相关,可能具有共同的物理起源。在次最小超对称标准模型中,如果暗物质质量为50到100 GeV且轻子标量伴子轻于1 TeV,暗物质不仅可以通过标准模型Z玻色子或希格斯玻色子共振湮灭以产生正确的暗物质丰度,而且还可以通过单态希格斯共振有效地在近零温度下s波湮灭到b夸克对末态,从而自然地解释Fermi-LAT银心伽马射线兆电子伏超出和AMS-02反质子超出。同时,暗物质又可以与轻子标量伴子一起通过量子效应正确地解释Muong-2(图1)。

最后,作者们指出在不远的将来XENONnT/PandaX-4T等地下探测实验(图2)或AMS-02反氘(反氦)探测可以实现对该机制的完全检验。这对下一步暗物质性质研究具有重要的指导意义。

该论文已在线发表在综合类学术期刊Science Bulletin。此项研究得到了国家自然科学基金委、中国博士后科学基金、江苏省双创计划、江苏省特聘教授计划、南京师大彭桓武科教合作中心、天体物理与前物理交叉中心等的支持。

文章链接:https://doi.org/10.1016/j.scib.2021.07.029

 图1 满足Muon g-2和FermiLat银心伽马射线兆电子伏超出的参数空间(红色点),满足AMS-02反质子超出的参数空间(蓝色阴影区域)

图2 暗物质与核子自旋无关的散射截面,其中黑色实线和蓝色虚线分别是XENON-1T和XENON-nT实验90%置信水平排除线

(图取自Abdughani et al. 2021 Sci. Bull.)


地址:安徽省合肥市金寨路96号   邮编:230026   [网站维护]中国科学技术大学研究生院[技术支持]中国科大网络信息中心