科研團隊用暗物質模型成功解釋W玻色子超重現象

近日，中國科學院紫金山天文臺范一中研究員、蔡岳霖研究員及博士研究生唐天鵬，與南京師范大學合作運用自主研發的整體擬合方法，詳細分析了W玻色子超重結果，發現此反常信號與暗物質存在很強關聯。該研究成果以《Inert Higgs dark matter for CDF II W-boson mass and detection prospects》為題發表在國際頂級物理學期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters），這也是該雜志接受發表的首篇W玻色子質量超出的理論解讀論文。

天文學和宇宙學觀測證據表明，宇宙中存在大量的不發光物質，我們稱其為暗物質。暗物質占宇宙總物質的85%，在宇宙的形成和演化過程中起著極其的重要作用。因此，尋找更多的暗物質證據并確定其性質是當前天文學、粒子物理及宇宙學領域最為重要的任務之一，也是21世紀基礎科學研究可能取得重大突破的方向之一。

最近，在經歷長達十年的分析后，美國費米實驗室CDF-II合作組在Science雜志上公布了W玻色子質量的最新實驗結果：80.4335±0.0094 GeV，其測量精度達到了萬分之一，也是迄今為止世界上最為精確的測量結果。目前所有測量W玻色子質量的實驗結果見圖1。眾所周知，W玻色子及其中性伴子Z玻色子是自然界中傳遞弱相互作用的媒介粒子，是理解電弱對稱性破缺機制和基本粒子質量起源的重要一環。而此次CDF-II合作組測量到的W玻色子質量與標準模型理論預言值存在7個標準偏差，這很可能暗示著超出標準之外新物理的存在，得到了全球物理學家的廣泛關注。

圖1：目前所有測量W玻色子質量的實驗結果總結，灰色柱狀區域代表標準模型的理論預言值和誤差范圍。

惰性雙希格斯二重態模型（i2HDM）是一種最小暗物質模型，它只在標準模型的基礎上擴充一個暗區的希格斯二重態。所以，該模型中除了標準模型希格斯粒子（SM-like Higgs）外，還包含兩個中性希格斯粒子（S, A）和一對帶異種電荷希格斯粒子（H±），其中最輕的中性希格斯粒子（S）就是暗物質粒子。基于惰性雙希格斯二重態模型，范一中等研究發現當暗物質粒子質量介于54～74GeV之間通過量子修正能很自然地解釋W玻色子質量超出，并且與所有的其他現有實驗結果一致。更為有趣的是無需引入任何精細參數調節，這樣的暗物質粒子會在銀河系產生可探測的GeV伽馬射線信號與反質子信號，而這兩種對應信號很可能已經被Fermi-LAT和AMS-02觀測到（圖2左），也就是之前已經廣被討論的銀心GeV伽馬射線超出與反質子超出。此外，這種暗物質模型還預言存在標準模型希格斯粒子（SM-like Higgs）共振湮滅以及暗物質粒子與次輕中性希格斯粒子（A）共同湮滅兩種過程。這兩種湮滅過程的信號在暗物質直接探測實驗（圖2中）和高亮度大型強子對撞機（LHC）實驗（圖2右）都具有很強的可檢驗性。該研究成果對未來尋找暗物質粒子研究具有非常重要的理論指導意義。該研究工作得到了國家自然科學基金委項目、中科院先導專項的資助。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.091802

圖2：左為同時滿足銀心GeV伽馬射線超出和反質子超出的暗物質質量區間（紅色區域）；中為類標準模型希格斯粒子（SM-like Higgs）共振湮滅過程在暗物質直接探測上的觀測前景（藍色區域）；右為暗物質粒子與次輕中性希格斯粒子（A）共同湮滅過程在高亮度強子對撞機上的可觀測預期（綠色區域）。