LHC和未来对撞机上的暗物质唯象学研究

Understanding the microscopic properties of dark matter (DM) is an important research frontier of particle physics. Experimentally, there are three kinds of DM detection methods, i.e., direct detection, indirect detection, and collider search. The former two approaches depend on distributions of DM density and velocity, which result in unavoidable uncertainties from astrophysical observations. In contrast, DM signals at colliders are only determined by the DM properties in particle physics. Therefore, collider search is a relatively independent approach to dark matter. This project focuses on DM phenomenology at colliders, based on the latest results from LHC experiments, as well as the design and plan of the proposed China future collider project CEPC-SPPC. This project mainly involves the following contents. (1) Study production signals of DM particles in several search channels at colliders, and constrain DM models using current LHC results, and estimate the sensitivities of future collider experiments. (2) Calculate the loop effects of DM interactions on the precision measurements of standard model processes, and investigate the capability of indirectly probing dark matter in CEPC experiments. (3) Study the connection between DM signals at colliders and other DM detection experiments.

了解暗物质的微观性质是粒子物理学的重要前沿课题。在实验上有三种手段可以探测暗物质粒子，包括直接探测、间接探测和对撞机探测。前两种探测方式依赖于从天体物理观测推断出来的暗物质密度和速度分布，因而具有一些不可避免的天体物理误差。不同的是，对撞机上的暗物质信号仅仅由暗物质的粒子物理性质决定，因此对撞机探测是一条相对独立的暗物质研究路线。本项目结合LHC实验的最新运行结果和我国未来对撞机项目CEPC-SPPC的设计规划，重点研究对撞机上的暗物质唯象学。主要的研究内容包括：（1）通过多个搜寻道研究对撞机上的暗物质粒子产生信号，用当前LHC实验结果限制暗物质理论模型，估算未来对撞机实验的灵敏度；（2）在圈图水平上计算暗物质相互作用对标准模型过程精确测量的影响，进而研究CEPC实验对暗物质性质的间接测量能力；（3）研究对撞机上的暗物质信号与其它暗物质探测实验的关联。

揭示暗物质的微观本质是当前暗物质研究的关键课题。不同于受天体物理观测误差影响的暗物质直接探测和间接探测，暗物质对撞机探测是一种相对独立的研究路线，仅依赖于暗物质的粒子物理性质。本项目重点关注对撞机相关的暗物质唯象学，并结合粒子物理理论和其它实验进行综合的暗物质粒子性质研究，主要包括以下研究内容和重要结果。（1）通过模拟单喷注和软轻子搜寻道，研究四重态和六重态两个标量暗物质模型受到的LHC实验限制以及SPPC等未来强子对撞机的探测灵敏度，并通过圈图计算分析CEPC等未来正负电子对撞机上电弱精确测量的灵敏度，结果表明当前LHC实验的限制比较弱，而未来强子和正负电子对撞机有可能探测到TeV质量附近的参数区域。（2）研究赝南部－戈德斯通暗物质与双希格斯二重态模型的唯象学，这类模型中的暗物质粒子能够自然地逃避直接探测的限制，我们结合LHC实验数据、暗物质遗留丰度和间接探测限制找到可行的参数区域，并进一步探索能够引起较强宇宙学一级相变引力波的参数点，为太极、天琴和LISA等未来空间引力波实验提供研究目标。（3）结合对撞机等实验结果和可微扰性、真空稳定性、轻子创生等理论问题，研究了非简并SU(2)矢量暗物质模型、具有运动学混合的U(1)规范暗物质模型、标量五重态暗物质模型、电弱多重态费米子暗物质对真空稳定性的影响、希格斯场振荡引起的轻子创生、热浴惰性中微子引起的轻子创生等课题，加深了对暗物质性质和相关粒子物理机制的理解。这些研究成果已整理成10篇学术期刊论文，其中3篇发表在Journal of High Energy Physics，5篇发表在Physical Review D，1篇发表在European Physical Journal C，1篇发表在Chinese Physics C。这些论文具有一定的影响力，总引用次数已达到61次。