暗物質(zhì)是粒子物理與宇宙學(xué)的一個(gè)熱點(diǎn)前沿方向。天文學(xué)和宇宙學(xué)觀測(cè)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(biāo)準(zhǔn)模型卻無(wú)法為暗物質(zhì)提供候選粒子，這預(yù)設(shè)著可能超出標(biāo)準(zhǔn)模型新物理。當(dāng)前主流的一類暗物質(zhì)理論是在標(biāo)準(zhǔn)模型之外引入一個(gè)弱相互作用大質(zhì)量粒子(WIMP)，它的產(chǎn)生機(jī)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(biāo)準(zhǔn)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(gè)溫度之后，暗物質(zhì)被稀釋以至于無(wú)法再湮滅，于是它們?cè)诠矂?dòng)坐標(biāo)系中的數(shù)量就固定了下來(lái)，演化至今天形成當(dāng)前的暗物質(zhì)遺跡。然而，在最近十多年來(lái)，暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)的靈敏度提高了很多個(gè)數(shù)量級(jí)，卻沒(méi)有探測(cè)到信號(hào)，這就對(duì)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(méi)有可能不是簡(jiǎn)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(diǎn)問(wèn)題之一。自從歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)在2012年發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子，對(duì)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(gè)中心問(wèn)題。在標(biāo)準(zhǔn)模型中，希格斯粒子是一個(gè)基本的標(biāo)量場(chǎng)，它的一個(gè)理論缺陷是著名的規(guī)范等級(jí)問(wèn)題，即假如標(biāo)準(zhǔn)模型能夠適用到很高的能標(biāo)例如普朗克能標(biāo)，那么不受任何對(duì)稱性保護(hù)的希格斯粒子的質(zhì)量為何只有125GeV？這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案就是認(rèn)為希格斯粒子是類似于強(qiáng)子模型中的介子，是由更基本的“夸克”通過(guò)某種新的強(qiáng)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(duì)齊的新的暗物質(zhì)非熱產(chǎn)生機(jī)制，這一機(jī)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(duì)齊是對(duì)稱性自發(fā)破缺的一種方式，如圖1(a)所示。我們以一個(gè)簡(jiǎn)化的復(fù)合希格斯模型為特例闡述了機(jī)制的運(yùn)作方式。在高溫時(shí)，電弱真空隨手征對(duì)稱性破缺而發(fā)生大的破缺，真空非對(duì)齊角在一段時(shí)間內(nèi)維持在90度，即對(duì)應(yīng)于一個(gè)無(wú)希格斯粒子(Higgsless)的真空。此時(shí)希格斯場(chǎng)會(huì)與模型中其它的贗南部-戈德斯通玻色子組合成一個(gè)質(zhì)量復(fù)標(biāo)量場(chǎng)，假定這個(gè)復(fù)標(biāo)量可以攜帶一個(gè)新的U(1)對(duì)稱性的非零荷，則它在這個(gè)真空中不會(huì)完全衰變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)模型的粒子。如果模型中還有一些暗物質(zhì)粒子也帶有這個(gè)U(1)對(duì)稱性的荷，那么希格斯場(chǎng)在這個(gè)真空中與暗物質(zhì)受到相同對(duì)稱性保護(hù)，同屬于所謂的暗的部分。如果引入的新的U(1)對(duì)稱性是電弱反常的，則在發(fā)生電弱相變時(shí)可通過(guò)sphaleron不對(duì)稱地產(chǎn)生正反暗物質(zhì)，之后正反暗物質(zhì)會(huì)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(jī)制中，暗物質(zhì)遺跡的不對(duì)稱產(chǎn)生是在無(wú)希格斯真空下發(fā)生的，但隨著溫度的降低，真空非對(duì)齊角會(huì)開(kāi)始變小并最終演化為今天的標(biāo)準(zhǔn)模型真空，真空非對(duì)齊角隨溫度的變化參見(jiàn)圖1(b)，而暗的U(1)對(duì)稱性也隨之發(fā)生自發(fā)破缺。在真空非對(duì)齊角開(kāi)始偏離90度時(shí)，希格斯粒子開(kāi)始從暗的部分中分離出來(lái)，也就是說(shuō)希格斯粒子有可能在較高溫度時(shí)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(lái)，成為一個(gè)不穩(wěn)定的實(shí)標(biāo)量粒子。另一方面，還有一些復(fù)合暗物質(zhì)粒子因?yàn)槭艿揭粋€(gè)Z_2對(duì)稱性的保護(hù)而不會(huì)完全衰變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)模型粒子，它們雖然在無(wú)希格斯真空下是復(fù)標(biāo)量場(chǎng)，但在標(biāo)準(zhǔn)模型真空下卻會(huì)劈裂為兩個(gè)有質(zhì)量差別的實(shí)標(biāo)量場(chǎng)，于是通過(guò)Z規(guī)范玻色子與原子核散射的過(guò)程被運(yùn)動(dòng)學(xué)禁戒，從而不會(huì)受到很強(qiáng)的直接探測(cè)限制。我們的理論機(jī)制預(yù)言，總會(huì)存在一個(gè)輕的贗標(biāo)量粒子，這對(duì)暗物質(zhì)直接探測(cè)如Xenon1T實(shí)驗(yàn)、宇宙學(xué)觀測(cè)、超新星觀測(cè)以及在對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)中探測(cè)“Z規(guī)范玻色子衰變到光子及這個(gè)贗標(biāo)量粒子”過(guò)程等結(jié)果都有深遠(yuǎn)的影響，從而可以得到檢驗(yàn)。這項(xiàng)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(xiàng)研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委的面上項(xiàng)目、青年科學(xué)基金，中國(guó)博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目，中山大學(xué)青年教師重點(diǎn)培育項(xiàng)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
