对暗物质粒子性质与超致密暗物质晕的研究

According to the theory, dark matter particles can annihilate into the standard particles. These productions can affect the cosmological evolution and astronomy observations. Due to the complex of astrophysical environment, the research of these aspects is still not comprehensive. Therefore, one goal of our research is through the present or future observations on the gamma-ray, positrons, neutrinos, anisotropic of cosmic microwave background to study the basic equality of dark matter particles, e.g., the annihilation cross section and mass, and to make up the shortfall of these topic. On the other hand, according to the recent theory, one new kind of dark matter structures named ultracompact dark matter minihalos would be formed in the early universe. These objects will also affect the cosmological evolution and astronomy observations. Moreover, the formation of these halos has relation with the QCD phase transition, density perturbations and inflation of early universe. Because there is nearly no research of these topic, so one of the important points of our research is to study the increasing of early density perturbations during the QCD phase transition, non-gaussianity and inflation potential through the study on ultracompact dark matter minihalos.

根据现在的理论，暗物质粒子会湮灭成标准粒子。这些湮灭产生的粒子会对宇宙演化和天文观测造成影响。由于天体环境的复杂性，对这方面的研究还不全面和确定。因此，本项目拟通过现有和未来的对高能光子，正电子和中微子等的观测以及宇宙微波背景辐射各项异性的观测来研究暗物质粒子的基本性质，如湮灭截面和质量，来弥补这方面研究的不足。另一方面，最近的理论研究表明，一种新的暗物质结构，超致密暗物质晕可以在宇宙早期形成。一方面，它的形成会对宇宙演化和天文观测造成影响。另一方面，它的形成和宇宙早期如QCD相变，早期密度扰动和早期暴涨势等紧密联系。关于这方面的研究还很少或者没有，因此本项目的研究重点是首次通过研究超致密暗物质晕来研究宇宙QCD相变时期密度扰动的增长，非高斯性和暴涨势等问题。

本项目主要研究了超致密暗物质晕（ Ultracompact Dark Matter minihalos, UCMHs）和暗物质粒子的基本性质，包括两个方面的内容：1. 研究了暗物质粒子在超致密晕中衰变产生的中微子流强，发现对于一定的参数，该流强可以超过大气中微子的流强。我们用IceCube的基本参数，研究了10年的预期观测对超致密晕宇宙学丰度的限制（上限）。由于超致密晕的形成和宇宙小尺度上的原初功率谱紧密相连，因此我们进一步得到了对小尺度上原初功率谱的预期限制（上限）。其中，最强的限制可以和由暗物质湮灭得到的结果相比拟。2. 我们用最新的CMB观测数据（Planck）对暗物质粒子的基本参数进行了研究限制。对于暗物质湮灭的情况，我们主要研究了对其湮灭截面和暗物质质量的联合限制，这一限制要比用之前数据（WMAP）给出的限制提高一个数量级。对于暗物质衰变的情况，我们主要研究了对其衰变率（或寿命）的限制，这一限制比之前数据（WMAP）给出的限制提高约2倍。