【摘要】：足夠多的天文學(xué)和宇宙學(xué)觀(guān)測(cè)證據(jù)表明,我們的宇宙充盈著不發(fā)光的暗物質(zhì),而為了從粒子物理的角度解釋其起源和屬性,對(duì)超出標(biāo)準(zhǔn)模型新物理的研究成為當(dāng)前的重要課題,而其中暗物質(zhì)候選者的性質(zhì)也各不相同。令人感興趣的是,如果我們從對(duì)暗物質(zhì)粒子的建模本身出發(fā),以盡可能最小的成本去尋求標(biāo)準(zhǔn)模型的擴(kuò)展,那么這些模型便有望被系統(tǒng)化地歸納到一類(lèi)最小暗物質(zhì)模型的框架中,它通過(guò)增添額外的SU(2)_L單態(tài)或多重態(tài)來(lái)擴(kuò)充標(biāo)準(zhǔn)模型,從而在其中尋求合適的暗物質(zhì)候選者。僅有的多重態(tài)規(guī)范相互作用也讓模型具有精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)性:遺跡豐度將對(duì)唯一的自由參數(shù)——暗物質(zhì)的質(zhì)量給出限制。增添的多重態(tài)粒子可能是標(biāo)量粒子、費(fèi)米子或矢量玻色子,對(duì)于費(fèi)米子,只考慮規(guī)范相互作用是相當(dāng)合理的,因?yàn)樵诳芍卣目蚣芟虏⒉淮嬖谄渌赡艿呐c標(biāo)準(zhǔn)模型粒子的相互作用項(xiàng)。然而對(duì)于標(biāo)量多重態(tài),這種假設(shè)并不是完整的:標(biāo)量場(chǎng)希格斯通道的四次耦合項(xiàng)將完全有理由存在。在本文中我們對(duì)惰性標(biāo)量三重態(tài)暗物質(zhì)模型進(jìn)行了系統(tǒng)的分析,特別關(guān)注了由希格斯通道的相互作用帶來(lái)的更豐富的現(xiàn)象學(xué)效應(yīng)。我們的計(jì)算預(yù)言了希格斯通道和規(guī)范相互作用間的干涉效應(yīng)能夠?qū)е掳滴镔|(zhì)-核子彈性散射截面的急劇減小,從而逃過(guò)所有直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)給出的限制。來(lái)自具有非零超荷多重態(tài)的中性粒子將耦合到Z~0玻色子,從而產(chǎn)生大大超出當(dāng)前實(shí)驗(yàn)限制的強(qiáng)彈性散射截面。為了避開(kāi)這個(gè)限制,一個(gè)可行的多重態(tài)暗物質(zhì)或者需要超荷為零,例如實(shí)標(biāo)量三重態(tài)暗物質(zhì)模型,或者在非零超荷多重態(tài)中電中性分量實(shí)部和虛部之間的質(zhì)量劈裂來(lái)有效抑制與原子核的非彈性散射過(guò)程。在本文中,我們首次提出了一種混合惰性標(biāo)量三重態(tài)暗物質(zhì)模型,其中具有非零超荷的復(fù)標(biāo)量三重態(tài)和具有零超荷的實(shí)標(biāo)量三重態(tài)通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)模型希格斯兩重態(tài)的可重整化耦合項(xiàng)相互混合。這種混合機(jī)制產(chǎn)生了合適的質(zhì)量劈裂,從而恢復(fù)了由非零超荷的復(fù)標(biāo)量三重態(tài)提供暗物質(zhì)組分的可能性。我們考慮了模型在三種漸近極限,亦即實(shí)三重態(tài)主導(dǎo)暗物質(zhì)、復(fù)三重態(tài)主導(dǎo)暗物質(zhì)以及均等組分暗物質(zhì)情形下暗物質(zhì)遺跡豐度和直接探測(cè)散射截面的解析近似。作為交叉驗(yàn)證,我們進(jìn)一步對(duì)全參數(shù)空間暗物質(zhì)遺跡豐度給出的限制進(jìn)行了數(shù)值分析,結(jié)果與解析近似吻合的很好,并直觀(guān)的說(shuō)明了我們考慮的三種特殊的極限情形事實(shí)上包含了全參數(shù)空間的大部分相關(guān)特征。另一方面,大氣、太陽(yáng)、加速器及反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)確證了中微子具有微小的非零質(zhì)量,這使得令人滿(mǎn)意的新物理理論也被期待擁有更加深邃的動(dòng)機(jī)來(lái)同時(shí)解決更多的問(wèn)題,作為暗物質(zhì)候選者的新粒子也可能在中微子質(zhì)量的產(chǎn)生甚至宇宙重子數(shù)不對(duì)稱(chēng)的起源中扮演重要的角色。在本文的第一部分中我們考慮了包含Majorana費(fèi)米子單態(tài)或三重態(tài)、實(shí)標(biāo)量希格斯單態(tài)或三重態(tài)以及帶輕子數(shù)的希格斯兩重態(tài)的一類(lèi)模型,在這類(lèi)模型中,由于輕子數(shù)的軟性破壞和Z_2對(duì)稱(chēng)性的嚴(yán)格守恒,中微子的非零Majorana質(zhì)量只能通過(guò)這些惰性場(chǎng)參與的相互作用在單圈圖水平產(chǎn)生。同時(shí),這些相互作用可以導(dǎo)致重質(zhì)量惰性場(chǎng)的不對(duì)稱(chēng)衰變,從而實(shí)現(xiàn)自然的輕子產(chǎn)生過(guò)程來(lái)解釋宇宙中的重子數(shù)不對(duì)稱(chēng)。在第二部分混合標(biāo)量三重態(tài)模型中,我們引入了兩種具有相反超荷的惰性費(fèi)米子兩重態(tài)來(lái)構(gòu)造重質(zhì)量的狄拉克費(fèi)米子。惰性標(biāo)量三重態(tài)和費(fèi)米子兩重態(tài)分別與標(biāo)準(zhǔn)模型輕子兩重態(tài)的Yukawa耦合可以被用來(lái)產(chǎn)生中微子輻射質(zhì)量,同時(shí),與通常采用Majorana費(fèi)米子衰變的方式不同,這里的輕子產(chǎn)生過(guò)程將由狄拉克費(fèi)米子的衰變來(lái)產(chǎn)生輕子數(shù)不對(duì)稱(chēng)。
【圖文】：

圖 1 1 旋轉(zhuǎn)星系 NGC6503 的旋轉(zhuǎn)曲線(xiàn)Fig 1 1 Rotation curve for the spiral galaxy NGC6503.

圖 1 2 強(qiáng)引力透鏡效應(yīng)下的“愛(ài)因斯坦環(huán)”（左圖）和“光弧”（右圖）Fig 1 2 Examples of Einstein Ring (left panel) and the huge arc (right panel) due to the effect of strlensing.另一種用來(lái)重建質(zhì)量分布的現(xiàn)象稱(chēng)為弱引力透鏡。當(dāng)光線(xiàn)經(jīng)過(guò)引力場(chǎng)能夠發(fā)
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：P159

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本文編號(hào)：2596089