高能粒子对撞机上暗物质的唯象学研究

作     者：张伟涛 

作者单位：安徽大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张宇

授予年度：2021年

学科分类：07[理学] 070202[理学-粒子物理与原子核物理] 0702[理学-物理学] 

主      题：暗物质 粒子对撞机 有效耦合 暗光子 

摘      要：本文主要研究高能粒子对撞机上暗物质的探测。天文观测的结果表明宇宙中存在大量暗物质,根据WMAP观测数据表明暗物质约占宇宙总能量的23.5%。自暗物质概念提出后,为了解释天文观测和粒子物理学中的一些实验现象,诸多超出标准模型的暗物质理论被提出。目前对于暗物质的研究及探测实验主要有直接探测、间接探测以及对撞机探测实验。对于研究超出标准模型的暗物质粒子的性质,粒子对撞机是非常重要的一种探测方法。标准模型粒子对撞过程产生的末态丢失横向动量信号可以对暗物质和标准模型粒子相互作用进行限制。本文第三章主要在电子-质子对撞机上研究暗物质-规范玻色子有效耦合模型的探测限制。所研究的电子-质子对撞机有LHeC(Large Hardron El ectron Collider)和 FCC-ep(Future Circular Collider in electron-proton mode)。文中通过 Wilson系数CB(A)和CW(A)以及有效能标A研究量纲为6(7)的标量(狄拉克费米)暗物质-规范玻色子有效耦合。通过ET+e-j信号得到CB(Λ)和CW(A)取不同值时,A与暗物质质量之间的关系。并进一步考虑A在CB(Λ)-Cw(Λ)平面中的分布以及讨论A与γγ和ZZ耦合模式之间的关系。本文在第四章中,研究了在北京谱仪BESⅢ探测器和超级陶粲装置(future Super Tau Charm Factory,STCF)上探测sub-GeV暗光子衰变到轻暗物质的过程。计算了末态产生暗光子和一个标准模型光子的散射截面以及相关的标准模型可约和不可约背景的散射截面。通过使用BESⅢ从2012年到2018年的约14 fb-1的亮度数据得到混合强度ε在0.04 GeV≤mA’≤3 GeV 的限制:ε≤(1.1-1.6)×10-4。对于对撞能量(?)=2GeV,积分亮度为30 ab-1的STCF上的过程,在mA’=1 GeV时探测的ε可以达到5.1 × 10-6。对于通过暗光子产生的标量和费米轻热暗物质,在BESⅢ和STCF上给出了量纲无关的参数y=ε2αD(mχ/ⅢA,)4与暗物质质量的关系,其中假设αD=0.5以及mA’=3 mχ。其结果表明BESⅢ可以分别排除质量区间在0.03～1 GeV、0.04～1 GeV以及0.4～1 GeV的标量、Majorana以及赝狄拉克暗物质。当αD≤0.005时,通过结合2 GeV、30 ab-1的STCF数据和BaBar数据,可以排除质量区间在0.001 GeV≤mχ≤1 GeV的标量、Majorana以及赝狄拉克暗物质。