馮磊?

(中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)南京210023)

近日美國(guó)費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室公布了最新的繆子反常磁矩實(shí)驗(yàn)的首個(gè)結(jié)果,發(fā)現(xiàn)繆子的磁矩偏離標(biāo)準(zhǔn)模型理論預(yù)期達(dá)3.3倍標(biāo)準(zhǔn)方差[1].結(jié)合布魯克海文實(shí)驗(yàn)室2004年的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[2],繆子反常磁矩和理論計(jì)算的偏差可達(dá)4.2倍標(biāo)準(zhǔn)方差[1].

對(duì)于這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果,通常有兩種物理解釋.第一種認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)模型的計(jì)算,尤其是強(qiáng)子部分的貢獻(xiàn)不夠完備.這是因?yàn)閺?qiáng)相互作用的耦合系數(shù)比較大,無法用微擾論的方法進(jìn)行計(jì)算.Borsanyi等人利用格點(diǎn)量子色動(dòng)力學(xué)的方法得到的結(jié)果和最新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本相符[3].另一種觀點(diǎn)認(rèn)為理論和實(shí)驗(yàn)的偏差來自于某種(或多種)未知粒子的量子漲落.事實(shí)上這樣的模型實(shí)在是太多了,比如超對(duì)稱模型、左右手對(duì)稱模型、解釋中微子質(zhì)量的蹺蹺板機(jī)制、雙希格斯粒子二重態(tài)模型、重子數(shù)減輕子數(shù)(B-L)模型和繆子輕子數(shù)減陶子輕子數(shù)(Lμ?Lτ)模型等,詳細(xì)情況見Lindner等人的綜述[4].

繆子反常磁矩可以通過多種方式與暗物質(zhì)粒子產(chǎn)生聯(lián)系.比如在最小超對(duì)稱模型和次最小超對(duì)稱模型中,作為暗物質(zhì)粒子候選體的最輕中性伴隨子的量子漲落對(duì)繆子的反常磁矩有直接的貢獻(xiàn)[5].此外解釋繆子反常磁矩引入的新粒子還可以作為傳遞暗物質(zhì)和標(biāo)準(zhǔn)模型之間相互作用的傳播子.這種新粒子的性質(zhì)同時(shí)也限制了暗物質(zhì)湮滅的末態(tài)產(chǎn)物,可以利用暗物質(zhì)間接探測(cè)的數(shù)據(jù)來限制這類模型.基于上述思想,我們開展了兩個(gè)相關(guān)的研究.

首先,我們研究了次最小超對(duì)稱標(biāo)準(zhǔn)模型.超對(duì)稱是一種時(shí)空對(duì)稱性,是龐加萊群的最大擴(kuò)充.超對(duì)稱算符作用到粒子態(tài)上,會(huì)使粒子的自旋改變1/2,也就是費(fèi)米子和玻色子的轉(zhuǎn)換.最小超對(duì)稱標(biāo)準(zhǔn)模型是把已知粒子擴(kuò)充一倍,每種粒子都有對(duì)應(yīng)的超對(duì)稱伴子,但是大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)這一模型有非常強(qiáng)的限制.而次最小超對(duì)稱標(biāo)準(zhǔn)模型又額外增加了一個(gè)標(biāo)量粒子和其伴子,新粒子的加入能夠幫助超對(duì)稱模型符合強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù).在超對(duì)稱模型里有一個(gè)自然的暗物質(zhì)粒子候選體—最輕中性伴隨子.通過自由參數(shù)掃描,發(fā)現(xiàn)存在能同時(shí)解釋繆子反常磁矩、銀心GeV超出和AMS-02反質(zhì)子超出的參數(shù)[5],同時(shí)這些參數(shù)還滿足大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)和暗物質(zhì)直接探測(cè)的限制.滿足所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果的參數(shù)所對(duì)應(yīng)的暗物質(zhì)質(zhì)量大約為60 GeV,湮滅截面〈σv〉約為10?26cm3·s?1,暗物質(zhì)主要的湮滅產(chǎn)物是正反底夸克粒子,這些信息還暗示了后續(xù)暗物質(zhì)信號(hào)搜尋的方向.底夸克后續(xù)的衰變和強(qiáng)子化過程會(huì)產(chǎn)生大量的高能光子、正電子和反質(zhì)子等次級(jí)粒子,這表明研發(fā)新一代大天區(qū)伽馬射線望遠(yuǎn)鏡是非常有必要的.

我們的第2項(xiàng)工作是帶有Lμ?Lτ核的暗物質(zhì)粒子模型[6].這一模型引入了一個(gè)新的U(1)Lμ?Lτ對(duì)稱性,這表明繆子輕子數(shù)減陶子輕子數(shù)是一個(gè)守恒量.這一對(duì)稱性的自發(fā)對(duì)稱破缺過程會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的適量粒子X,它的量子漲落可以用來解釋繆子的反常磁矩.暗物質(zhì)粒子也帶有這一守恒核,通過X粒子傳遞相互作用湮滅為中微子、繆子和陶子等輕子.在這一模型中,暗物質(zhì)質(zhì)量比較大的參數(shù)空間受到暗物質(zhì)直接探測(cè)很強(qiáng)的限制而被排除,只剩小于幾個(gè)GeV的參數(shù)空間未被排除.暗物質(zhì)粒子主要的湮滅產(chǎn)物是中微子,其他湮滅末態(tài)則依賴于暗物質(zhì)的質(zhì)量.大于1.78 GeV的暗物質(zhì)粒子湮滅為繆子和陶子,而更輕的暗物質(zhì)只湮滅為繆子.這些帶電輕子可以進(jìn)一步衰變?yōu)榈湍茈娮?成為電子宇宙線的一部分,進(jìn)而受到各種傳播效應(yīng)的影響.這些低能電子受到宇宙線重加速效應(yīng)的影響可以被加速到GeV能段,所以會(huì)受到電子宇宙線觀測(cè)數(shù)據(jù)的限制.我們的計(jì)算結(jié)果表明:AMS-02的數(shù)據(jù)對(duì)暗物質(zhì)模型參數(shù)的限制在小質(zhì)量區(qū)間強(qiáng)于微波背景輻射,能夠排除暗物質(zhì)粒子質(zhì)量在110–300 MeV之間的參數(shù)區(qū)域.

總之,繆子反常磁矩可能預(yù)示存在一種未知粒子,而新粒子可能和暗物質(zhì)粒子有直接或者間接的聯(lián)系.結(jié)合兩方面的數(shù)據(jù),或?qū)椭覀兘议_新物理和暗物質(zhì)的神秘面紗.