基于有效场论的暗物质若干前沿问题研究

Although the standard model has made tremendous successes and a Higgs-like particle was recently found in LHC experiments, there are still some theoretical and experimental problems in the standard model. Especially there is NO particle candidate for the major component of dark matter in the standard model. These facts may indicate the existence of new physics beyond the SM. In the recent years, the experiments aimed at dark matter direct, indirect and collider detection have made rapid progress. After some serious phenomenological study in light of these experiments, it would be hopeful to obtain some new significant findings. In this project, based on the effective field theory approach, we will study some new phenomenology connected with the effective interaction between dark matter particles and ordinary particles. In particular, (1) we will study the kinetic decoupling process of dark matter and its effect on the structure formation, especially on the formation of dark matter substructures in the theoretical framework of effective dark matter models; (2) we will study the fitting of many parameters of the effective dark matter models with the forthcoming possible signals of dark matter detection experiments, such as the AMS-02 experiment, by using the Markov Chain Monte Carlo method; (3) we will study the impact of the effective interaction between dark matter and visible matter on the new physics search experiments.

尽管标准模型取得了很大的成功并且LHC实验最近也发现了疑似Higgs粒子的一个新粒子，但标准模型在理论和实验上存在的一些问题，特别是它不能为天文学界广泛接受的暗物质的主要成分提供候选粒子，预示着超出标准模型新物理的可能存在。近年来暗物质的直接、间接和对撞机探测实验取得了很大的进展，紧密联系这些实验开展唯象研究，有望获得新的重要发现。我们将运用与具体模型无关的有效场论的办法，对暗物质粒子与普通粒子之间有效相互作用有关的物理开展一系列新的唯象学研究。我们具体准备研究：(1)在有效场论模型中研究暗物质运动学脱耦过程及其对结构形成特别是暗物质最小子结构形成的影响；(2)用马尔可夫链蒙特卡罗算法研究有效场论模型中的多个耦合常数对暗物质探测实验（如AMS-02等）未来可能信号的拟合；(3)研究暗物质与普通粒子之间有效相互作用对搜寻超出标准模型新物理的影响。

粒子物理的标准模型并不完美，它在理论上存在的一些问题以及它不能为天文学界广泛接受的暗物质的主要成分提供候选粒子，预示着超出标准模型新物理的可能存在。在本项目的资助下，我们用有效场论等方法研究了暗物质的前沿问题和超出标准模型的新物理，主要包括：(1)在有效场论的框架下，我们研究了标量多重态最小暗物质模型的朗道极点、真空稳定性等理论自洽性问题和遗迹密度、直接探测等现象学限制。(2)运用有效场论的方法，我们建立了包含多种费米子和标量电弱多重态的比最小暗物质模型更复杂一些的理论模型，并研究了这些模型在未来的正负电子对撞机上的探测灵敏度。(3)我们研究了用暗物质和天体物理来源解释AMS-02实验测得的正电子和反质子超出结果的可能性。(4)我们研究了如何用额外维模型的低能有效理论解释标准模型中的费米子代的起源、质量等级及混合等开放问题；我们还研究了如何用额外维模型中的新粒子来解释欧洲核子中心的LHC实验结果。我们的研究成果已整理成8篇系统的长论文，其中有6篇发表在国际著名的物理学学术期刊，包括3篇论文发表在Physical Review D，2篇论文发表在Nuclear Physics B，1篇论文发表在European Physical Journal C，另外2篇论文还在审稿过程中。我们的论文成果在国际学术界具有一定的影响力，其中一篇论文被引用高达84次，一篇论文被引用21次，一篇论文被引用15次。