左右对称模型中的暗物质及探测信号.ppt

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1、左右对称模型中的暗物质及探测信号周宇峰中国科学院理论物理研究所高能物理学会第八届全国代表大会2010/0/1-19，南昌大学Wang,Guo,Wu,YFZ,Zhuang,PRD79,055015(2009)Guo,Wu,YFZ,arXiv:1001.0307,PRD2010暗物质存在的观测证据星系旋转曲线弱引力透镜强引力透镜暗物质基本特点：暗物质基本特点：宇宙学时间尺度上稳定。参与引力作用，电中性。非重子物质非相对论性运动微波背景辐射大尺度结构暗物质实验探测手段卫星空间探测卫星空间探测地下直接探测地下直接探测地面探测地面探测高空气球探测高空气球探测对撞机探测对撞机探测nWIMP 类型LSP:n

2、eutrilinos,sneutrinos,gravitinos,axinosLKP:Little Higgs models:n非WIMP 类型 AxionsSuperWIMP,Wimpzilla,Q-ball,.DM candidates from particle physicsWIMP:来源于热力学退耦剩余丰度，质量及相互作用强度在电弱能标附近近期实验进展回顾：空间间接探测正电子超出反质子无超出Nature 458,607(2009)PAMELA详见毕效军报告详见毕效军报告正负电子总流强ATICFermi LAT正负电子超出，有结构正负电子能谱较硬，无明显结构Nature,456,200

3、8,362-365Phys.Rev.Lett.102:181101,2009 Fermi LAT 弥散光子未证实EGRET结果低能区结果与预期符合Phys.Rev.Lett.103:251101,2009 近期结果包括银河系中心区和各向同性弥散光子能谱，未观察到明显结构未观察到明显结构近期实验进展回顾：地下直接探测arXiv:0912.3592;SciencexpressCMDS-IInOccur during a time of nearly ideal detector performance.Separated in time by several months and occur on

4、 detectors in different towers(T1Z5,T3Z4)nOccur on inner detectors where we have a stronger handle of our background estimate nRecoil energy:12.3keV(T1Z5),15.5keV(T3Z4)nConfidence level 77%,favor light DM 100GeV Minimum cross section:7.7*1044(3.8*10-44 when combined with previous analyzed exposure)7

5、0GeVCoGeNT 实验结果arXiv:1002.4703DAMA CDMS-II CoGent Germanium based 440g p-type point contact(PPC)detectorLow threshold energy 0.4 KeVFavor DM mass 7-11 GeV With confidence level 90%Incompatible with zero.Fit details:地下直接探测实验显示有轻的暗物质的可能迹象，但有待确认地下直接探测实验显示有轻的暗物质的可能迹象，但有待确认暗物质解释？较大的暗物质作用截面主要末态为轻子,夸克末态必需被

6、压低暗物质衰变暗物质湮灭Boost factor？Sommerfeld效应共振态效应Fine tuning?Constraints?Galactic diff.gamma-raySubhalo structureCMBDM分布局部不均匀性天体物理解释？Pulsar,SNR,CR interactionsHu,Yuan,Zhang,Wang,Fan,Bi,0901.1520Luo,Wang,Wu,Zhu,0911.3235Guo,Wu,Zhou,in preparationYin,Yuan,Liu,zhang,Bi,Zhu,Zhang,arXiv:0811.0176 Liu,Yuan,Bi,Li

7、,Zhang,0906.3858Guo,Wu,PRD09宇宙线粒子能谱超出的可能解释宇宙线粒子能谱超出的可能解释WIMPBoost factor 来源:量子索末菲效应暗物质之间的长程吸引相互作用可导致低温时暗物质湮灭截面提高（零质量极限）存在的限制存在的限制长程力可导致暗物质分布结构变化影响暗物质剩余丰度产生大的增强因子需要一定的 fine tunningYuan,Bi,Liu,Yin,Zhang and Zhu,Astro-ph/0905.2736J.L.Feng,et.al,arXiv:0911.0422Boost factor 来源:共振态增强效应存在问题存在问题模型实现有一定难度对共振

8、态粒子质量存在较大的fine tunningGuo,Wu,PRD79,055012Bi,He,Yuan,Astro-ph/0903.0122Ibe,Murayama,Yanagida,PRD79,095009,2009暗物质模型构造如何实现暗物质的稳定性？1.引入额外分立对称性1.最小超对称，额外维度，little Higgs 等2.Z_2对称性2.利用量子场论基本对称性利用宇称（P），粒子-反粒子变换对称性（C）规范场custodial对称性等Wang,Guo,Wu,Zhou,Zhuang,PRD79,055015P 和和C等场论基本对称性及破缺与宇宙中重子物质的起源联系密切，等场论基本对称

9、性及破缺与宇宙中重子物质的起源联系密切，有可能也联系到暗物质的起源。有可能也联系到暗物质的起源。一类最简单的暗物质模型SMSM2HDMLRMScalar DMScalar DMStability set by handStability protected by CPMinimal models for DM（C，P 对称性明显破缺）对称性明显破缺）e.g.Guo,Wang,Wu,YFZ,Zhuang,PRD79,055015(2009);Left-right models with scalar DM（C，P 对称性自发破缺）对称性自发破缺）e.g.Silveira,Zee,1985McDo

10、ndald,1994,Burgess,Pospelov&Veldhuis,2001Barger,Langacker,KcCaskey,2007Shafi,Okada,2009He,Li,Tsai,2007,2009左右对称模型中暗物质的稳定性规范对称群：粒子内容（标量部分）P 和 CP 变换性质对称性禁戒的相互作用-暗物质粒子稳定DM particleWang,Guo,Wu,Zhou,Zhuang,PRD79,055015模型中粒子间相互作用Before symmetry breaking After symmetry breaking nRequire that S_D obtain no

11、VEV nS_D is still stable due to the gauge singlet naturedominant part:C-and P-eventiny part:C-oddGuo,Wu,YFZ,arXiv:1001.0307 暗物质粒子湮灭与热力学剩余丰度Main annihilation channels Thermally averaged cross section&relic density 对直接探测截面的预言nParameter space from relic densitynPrediction for direct detection rate one

12、bi-doublet casetwo bi-doublet caseGuo,Wang,Wu,YFZ,Zhuang,PRD79,055015(2009);大的轻夸克 Yukawa coupling 情况 模型中第二个模型中第二个bidoublet 与轻夸克的耦合可以较大与轻夸克的耦合可以较大 由此预言的弹性散射截面可以达到目前由此预言的弹性散射截面可以达到目前CDMS-II的上限的上限 对称性软破缺可导致暗物质粒子微小衰变nGeneric soft C-breaking term Guo,Wu,YFZ,arXiv:1001.0307,PRD2010 暗物质通过三重态(Triplet)衰变Trip

13、let通过Yukawa作用只耦合到轻子。Triplet与规范粒子和希格斯粒子作用被压低。对中微子和弥散光子流强有新贡献，有可以被 实验检验的新预言解释正负电子超出DM 质量主要影响“峰”的位置。DM 寿命主要影响“峰”的高度。末态为 轻子时能谱较平滑，接近Fermi 结果。电子末态谱的结构较突出，接近ATIC结果。Guo,Wu,YFZ,arXiv:1001.0307 预言新的宇宙线中微子源Triplet 与同样强度耦合到轻子和中微子中微子引起的up-going muon flux 可接近目前实验限Guo,Wu,YFZ,arXiv:1001.0307，PRD2010 Inverse Compto

14、n scattering(ICS)Final state radiation(FSI)Virtual internal bremsstrahlung(VIB)ICSFSIVIBICSICSICSFSIFSIFSIVIBVIBVIBGuo,Wu,YFZ,arXiv:1001.0307,PRD2010 预言新的弥散伽玛射线源小质量差情况大质量差情况依赖于质量差总结n在左右对称模型中可引入规范单态标量粒子作为暗物质的候选者。其稳定性可以由P，CP等基本对称性自动保证，无须人为引入额外的分立对称性。n模型的参数空间可以通过暗物质丰度得到限制，进而可以对暗物质粒子核子弹性散射的截面给出预言。对于暗物质粒

15、子与轻夸克有较大Yukawa耦合的情况其预言可以接近目前的实验上限。n通过加入soft C-破缺项可实现暗物质粒子的微小变。暗物质粒子通过SU(2)三重态衰变可以可自然解释PAMALA,Fermi/ATIC,并预言存在新的中微子及弥散光子信号源，可被未来实验检验。谢谢！Backup slides 暗物质发现的早期历史暗物质发现的早期历史n1933,Zwicky found a large mass-to-light ratio 400 from velocity dispersion in the Coma cluster.The first indication of dark matter

16、.n 1936,Smith found unexpected high mass in the Virgo cluster.n1939,Babcock found that the outer region of Andromeda galaxy rotates with a high speed.n1959,Kahn and Woltjer inferred from the relative motion between M31 and our Galaxy that the Local Group is much heavier than expected.n1970,Rubin and Ford measured the rotation curve in M31 with unprecedented precision and at large distance(24kpc),clearly showed the existence of DM or deviation of Newtons law of gravitation.Fritz ZwickyVera RubinHESS正负电子超出，无明显结构Astron.AstronPhys.508,561,2009 arXiv0905.0105