繆子反常磁矩與暗物質(zhì)間接探測

馮磊?

(中國科學(xué)院紫金山天文臺南京210023)

近日美國費米國家實驗室公布了最新的繆子反常磁矩實驗的首個結(jié)果,發(fā)現(xiàn)繆子的磁矩偏離標(biāo)準(zhǔn)模型理論預(yù)期達(dá)3.3倍標(biāo)準(zhǔn)方差[1].結(jié)合布魯克海文實驗室2004年的實驗結(jié)果[2],繆子反常磁矩和理論計算的偏差可達(dá)4.2倍標(biāo)準(zhǔn)方差[1].

對于這一實驗結(jié)果,通常有兩種物理解釋.第一種認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)模型的計算,尤其是強子部分的貢獻不夠完備.這是因為強相互作用的耦合系數(shù)比較大,無法用微擾論的方法進行計算.Borsanyi等人利用格點量子色動力學(xué)的方法得到的結(jié)果和最新的實驗結(jié)果基本相符[3].另一種觀點認(rèn)為理論和實驗的偏差來自于某種(或多種)未知粒子的量子漲落.事實上這樣的模型實在是太多了,比如超對稱模型、左右手對稱模型、解釋中微子質(zhì)量的蹺蹺板機制、雙希格斯粒子二重態(tài)模型、重子數(shù)減輕子數(shù)(B-L)模型和繆子輕子數(shù)減陶子輕子數(shù)(Lμ?Lτ)模型等,詳細(xì)情況見Lindner等人的綜述[4].

繆子反常磁矩可以通過多種方式與暗物質(zhì)粒子產(chǎn)生聯(lián)系.比如在最小超對稱模型和次最小超對稱模型中,作為暗物質(zhì)粒子候選體的最輕中性伴隨子的量子漲落對繆子的反常磁矩有直接的貢獻[5].此外解釋繆子反常磁矩引入的新粒子還可以作為傳遞暗物質(zhì)和標(biāo)準(zhǔn)模型之間相互作用的傳播子.這種新粒子的性質(zhì)同時也限制了暗物質(zhì)湮滅的末態(tài)產(chǎn)物,可以利用暗物質(zhì)間接探測的數(shù)據(jù)來限制這類模型.基于上述思想,我們開展了兩個相關(guān)的研究.

首先,我們研究了次最小超對稱標(biāo)準(zhǔn)模型.超對稱是一種時空對稱性,是龐加萊群的最大擴充.超對稱算符作用到粒子態(tài)上,會使粒子的自旋改變1/2,也就是費米子和玻色子的轉(zhuǎn)換.最小超對稱標(biāo)準(zhǔn)模型是把已知粒子擴充一倍,每種粒子都有對應(yīng)的超對稱伴子,但是大型強子對撞機的實驗結(jié)果對這一模型有非常強的限制.而次最小超對稱標(biāo)準(zhǔn)模型又額外增加了一個標(biāo)量粒子和其伴子,新粒子的加入能夠幫助超對稱模型符合強子對撞機的觀測數(shù)據(jù).在超對稱模型里有一個自然的暗物質(zhì)粒子候選體—最輕中性伴隨子.通過自由參數(shù)掃描,發(fā)現(xiàn)存在能同時解釋繆子反常磁矩、銀心GeV超出和AMS-02反質(zhì)子超出的參數(shù)[5],同時這些參數(shù)還滿足大型強子對撞機和暗物質(zhì)直接探測的限制.滿足所有實驗結(jié)果的參數(shù)所對應(yīng)的暗物質(zhì)質(zhì)量大約為60 GeV,湮滅截面〈σv〉約為10?26cm3·s?1,暗物質(zhì)主要的湮滅產(chǎn)物是正反底夸克粒子,這些信息還暗示了后續(xù)暗物質(zhì)信號搜尋的方向.底夸克后續(xù)的衰變和強子化過程會產(chǎn)生大量的高能光子、正電子和反質(zhì)子等次級粒子,這表明研發(fā)新一代大天區(qū)伽馬射線望遠(yuǎn)鏡是非常有必要的.

我們的第2項工作是帶有Lμ?Lτ核的暗物質(zhì)粒子模型[6].這一模型引入了一個新的U(1)Lμ?Lτ對稱性,這表明繆子輕子數(shù)減陶子輕子數(shù)是一個守恒量.這一對稱性的自發(fā)對稱破缺過程會產(chǎn)生一個新的適量粒子X,它的量子漲落可以用來解釋繆子的反常磁矩.暗物質(zhì)粒子也帶有這一守恒核,通過X粒子傳遞相互作用湮滅為中微子、繆子和陶子等輕子.在這一模型中,暗物質(zhì)質(zhì)量比較大的參數(shù)空間受到暗物質(zhì)直接探測很強的限制而被排除,只剩小于幾個GeV的參數(shù)空間未被排除.暗物質(zhì)粒子主要的湮滅產(chǎn)物是中微子,其他湮滅末態(tài)則依賴于暗物質(zhì)的質(zhì)量.大于1.78 GeV的暗物質(zhì)粒子湮滅為繆子和陶子,而更輕的暗物質(zhì)只湮滅為繆子.這些帶電輕子可以進一步衰變?yōu)榈湍茈娮?成為電子宇宙線的一部分,進而受到各種傳播效應(yīng)的影響.這些低能電子受到宇宙線重加速效應(yīng)的影響可以被加速到GeV能段,所以會受到電子宇宙線觀測數(shù)據(jù)的限制.我們的計算結(jié)果表明:AMS-02的數(shù)據(jù)對暗物質(zhì)模型參數(shù)的限制在小質(zhì)量區(qū)間強于微波背景輻射,能夠排除暗物質(zhì)粒子質(zhì)量在110–300 MeV之間的參數(shù)區(qū)域.

總之,繆子反常磁矩可能預(yù)示存在一種未知粒子,而新粒子可能和暗物質(zhì)粒子有直接或者間接的聯(lián)系.結(jié)合兩方面的數(shù)據(jù),或?qū)椭覀兘议_新物理和暗物質(zhì)的神秘面紗.