暗物质简介ppt课件.pptx

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1、暗物质简介,张宏浩,在1930年代，Zwicky用Virial定理分析在后发星系团(Coma Cluster)的星系的运动速度，他发现它们的速度太快了，可见物质的质量不足以解释这么快的速度，为此他引入了约10倍于可见物质质量的“暗物质”。,暗物质之父：Zwicky,2,在1970年代，Rubin研究了漩涡星系的旋转曲线，她发现v随r的变化曲线并未遵循牛顿力学的预言，而是几乎平坦的：速度仍然太快了！这个现象可以用暗物质或者MOND理论解释。,暗物质之母：Rubin,3,4,我以前的讲课板书,5,6,修正的牛顿动力学（MOND）之一,根据星系旋转曲线,A：牛顿力学预言的旋转速度 vr(-1/2)B

2、：实验观测到的旋转速度 vConst.,7,修正的牛顿动力学（MOND）之二,MOND理论假设牛顿第二运动定律在加速度极低时修正为：力与加速度的平方成正比,8,修正的牛顿动力学（MOND）之三,9,修正的牛顿动力学（MOND）之四,在2004年发现的子弹星系团(bullet cluster)，通过X射线探测到的是红色的可见物质，看来是两个星系相撞；通过弱引力透镜探测到的质量分布是蓝色的部分（可解释为暗物质），可知它们的相互作用非常微弱，几乎直接穿过去了。,用MOND理论解释这一现象有困难，除非也引入暗物质,10,bullet cluster(2004),train wreck(2007),ba

3、by bullet(2008),11,12,由弱引力透镜观测结果知，在银河系内的大质量致密晕天体（MAssive Compact Halo Objects，MACHOs）对银河系暗物质晕的贡献小于8%，这表明在银河系中暗物质的主要成分不是MACHOs这样的重子暗物质，而应该是非重子暗物质。进一步可推测，在宇宙中的暗物质主要成分也是非重子暗物质。,13,14,15,16,暗物质粒子的脱耦,在运动学脱耦之后，暗物质粒子不再与背景等离子体有动量交换，因此暗物质粒子的质量扰动开始随时间对数增长，逐渐形成结构。,17,非重子暗物质的脱耦时间比重子的脱耦时间更早！,18,19,20,21,2013,22,

4、23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,暗物质的性质仍然是一个开放的科学问题,Chris Quigg列出的十大科学难题：,对暗物质的研究涉及粒子物理、宇宙学、天体物理等 多个学科,暗物质的直接探测,暗物质的间接探测,高能对撞机的探测器与粒子重建,暗物质的对撞机探测,暗物质与标准模型费米子的有效相互作用,当相互作用过程的转移动量远小于媒介粒子质量时，相互作用可以用有效理论描述。使用有效理论，通常能够把握研究问题的基本特征，与模型细节相对无关。我们分别假定暗物质由自旋为 0,1/2,1 或 3/2 的粒子组成，用有效算符描述暗物质粒子与标准模型费米子的相互作用，把直

5、接探测、间接探测和宇宙学丰度的实验结果综合在一起进行比较 我们发现，在不同情况下，各类暗物质实验的灵敏度有些差别，具有一定的互补性,Nucl.Phys.B854(2012)350-374Nucl.Phys.B860(2012)115-151,自旋为 0 的暗物质粒子,黄色区域为考虑到可微扰条件时有效理论不成立的区域,自旋为 1/2 的暗物质粒子,自旋为 1 的暗物质粒子,自旋为 3/2 的暗物质粒子,已经有这么多暗物质模型了在高能物理数据库SPIRES，“暗物质”论文数量多达四千多篇,为什么还要考虑这一个暗物质候选模型：最小暗物质模型？最小暗物质模型只有一个参数：暗物质质量M，具有可预言性！,

6、最小暗物质(minimal dark matter)模型,Cirelli,et al.,hep-ph/0512090,在标准模型基础上引入一个 SU(2)L U(1)Y多重态 多重态的电中性分量是暗物质候选粒子,最小暗物质(minimal dark matter)模型,在标准模型基础上引入一个 SU(2)L U(1)Y多重态 多重态的电中性分量是暗物质候选粒子 电弱圈图修正使带电分量的质量比中性分量大 若多重态所在表示维数 n 足够高，电弱规范对称性会禁戒多重态与标准模型粒子的耦合，使暗物质稳定 费米子：n 5 标量：n 7 这是一种偶然对称性(accidental symmetry)，比人为

7、地引入 Z2 对称性的一般方法显得更加自然,Cirelli,et al.,hep-ph/0512090,多重态的引入会影响弱耦合常数 g2 的跑动。如果要求 g2 能够一直到普朗克能标都不遇到朗道极点，可以给 出 n 的上限。Majorana费米子：n 5 实标量：n 8,不过，标量多重态的情况没这么简单。标量多重态 存在多种自相互作用，以及与 Higgs 场的相互作用。最近有研究Hamada,et al.,arXiv:1505.01721表明，七重态标量的四次自相互作用耦合常数在 108 GeV 能标处就会遇到朗道极点。我们进一步研究了在什么情况下可以将朗道极点提升 到更高能标上。Phys.

8、Rev.D92(2015)115004,七重态实标量最小暗物质模型,七重态实标量,动能项和规范耦合项,势能项,Higgs 场破缺后，第五项会贡献到七重态树图质量上：,当 m0 mZ 时，一圈图引起的质量劈裂为,为零时，暗物质遗迹密度(relic density)观测值对应于 m0=8.8 TeV(不考虑索末菲效应)m0=25 TeV(考虑索末菲效应),这一项被大多数文献忽略,在 处加入七重态实标量之后的 beta 函数,（系数非常大！）,标准模型耦合常数的 beta 函数,若，朗道极点能标若，(不满足真空稳定性)，,真空稳定性条件：,对于,对于,为了提升朗道极点能标，引入1个三重态费米子场和1个五重态费米子场，与七重态标量场发生 Yukawa 耦合,7-3-5 模型,三重态费米子场可通过第二项构建 type-III seesaw 机制,对 beta 函数的影响：,我们发现，y 的跑动与 g2 的跑动强烈相关。当 y 的取值为 时，可得。否则 y 的朗道极点将早于 g2 的朗道极点出现。若允许精细,调节初值，至多可将朗道极点能标推迟到。,精细调节 y 的初值，将耦合常数演化至 1014 GeV（略低于朗道极点能标），则可用真空稳定性和微扰性条件限制七重态的耦合常数,直接探测实验 LUX、间接探测实验 Fermi-LAT、真空稳定性和微扰性条件对模型参数的限制,