宇宙暗物质的多信使现象学研究

Models that fit into the "WIMP miracle" paradigm were considered to be the most prominent candidates to solve the problem of Dark Matter, namely the mismatch between the predictions of Newtonian gravity and the data acquired on the galaxies rotation curves. Direct detection experiments, including the Large Hadron Collider, pointed out the failure of these models, and opened the pathway toward the development of non-thermal Dark Matter. We propose a novel multi-messenger approach to the analysis of Dark Matter models beyond the WIMP miracle.paradigm. If WIMP particles are MeV-ish or heavier, these can decay into light Standard Model particles, and in particular into photons. We aim to test models of massive dark photon and majoron dark matter, providing a detailed numerical analysis of the annihilation rates, and a.comparison with forthcoming data from the e-ASTROGAM satellite, operating at MeV-ish scales, and the LHAASO experiment, probing energy scales ranging from 102 GeV to 102 PeV. The presence of dark matter can be further related to dark rst order phase transitions, which at.MeV-ish scales produce a stochastic gravitational waves background detectable by the LIGO-Virgo interferometer, and at GeV-ish scales by the forthcoming eLISA, U-DECIGO and BBO experiments. At KeV-ish scales, gravitational radiation can be also detected from Pulsar timing.measurements, and models constrained thanks to radio experiments, including FAST, SKA, IPTA and ChinaART.

暗物质的物理本质是现代宇宙学中悬而未解之谜。通常人们采纳一类“大质量弱相互作用粒子（WIMP）”模型来解释暗物质的物理性质。然而截止到目前，包括大型强子对撞机实验在内，没有任何直接观测实验能够验证这些粒子的存在，因此这也为物理学家提出非热平衡产生暗物质粒子的理论可能性。在本课题中，我们提出了利用多信使分析方法来研究一类非热平衡产生的暗物质理论模型。如果WIMP粒子是MeV数量级或更高，它们应该可以衰变为轻标准模型粒子，尤其是光子。我们旨在分析带质量的暗光子和马约拉纳粒子暗物质模型，分别给出相应的散射截面的数值分析，并计划与即将运行在MeV量级的e-ASTROGAM卫星和探测能标范围从100GeV到100PeV的高海拔宇宙线观测实验进行对比研究，这一类非热平衡产生的暗物质也可以进一步与一级宇宙学相变相关，该相变过程会在不同的能标下产生一个引力波随机背景。

对一阶相变可能观测特征的研究已经成为超越标准模型粒子物理学的重要组成部分，其策略很简单：根据所考虑的特定粒子物理模型的参数，可能会发生一阶相变，从而产生引力波信号以及随机引力波背景谱的特定可观测特征，作为其峰值结构。这些年来，项目负责人特别致力于研究和表征多峰值情景，并将其与详细的粒子物理模型相联系，未来随机引力波背景观测的具体特征可能代表超越标准模型物理的具体实现。.利用已经存在的软件（CosmoTransitions和最新发布的PhaseTracer）进行数值分析，计算了泡泡散射（bubbles scattering）、声波效应和湍流对引力辐射信号的贡献，我们已经解决了几个技术性问题，涉及与机器学习相关的数值方法和软件工具，以扫描经历一阶相变的理论模型的参数空间，以及与相变期间相关参数估计相关的技术问题。.在多项研究中，完成了机器学习方法的实施，扫描特定超越标准模型理论框架的参数空间，以及在计划的未来实验中可检测到的一阶相变散射点的信噪比的详细分析。具体来说，我们关注的是最小暗物质模型，其也能够解决粒子物理学中的长期问题，包括中微子质量产生、希格斯粒子的性质以及量子色动力学中的约束和弛豫问题。.此外，我们已经开始致力于机器学习新算法的适应，该算法基于一种新的原始机器学习方法的开发，该方法基于包含拓扑信息的量子图神经网络。这一框架利用了与拓扑量子场论的类比，适用于规范理论的重新表述，以及一般超越标准模型物理学中的扩展拓扑理论。