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南京学者提出缪子反常磁矩与宇宙线超出的统一解释

  大量天文学和宇宙学观测表明,暗物质(Dark matter)是存在于宇宙中的一种不可见的物质,它是宇宙物质的主要组成部分,但又不属于构成可见天体的任何一种已知的物质,是21世纪最大科学谜题之一。暗物质与暗能量一起被称为是21世纪物理学的两朵新“乌云”,是当前基础研究的重要前沿。世界科技大国都在积极布局开展这方面的研究和探测。

  2021年4月7日,费米实验室的E989实验以前所未有的精度测量了缪轻子的反常磁矩(Muon g-2),给出的最新世界平均值与标准模型理论预言值存在4.2个标准偏差!这一结果引起了国际物理学界的广泛关注(当天线上线下参加发布会的有近万人)。另一方面,天文学上通过伽马射线和宇宙射线间接探测寻找暗物质的实验,如Fermi-LAT银心伽马射线兆电子伏数据和AMS-02反质子数据,也发现了较为显著偏离标准天文背景的信号。这些实验结果都强有力的暗示着超出标准模型之外的新物理的存在,可能带来物理学与天文学的新突破!

  中国科学院紫金山天文台范一中研究员及其团队(包括蔡岳霖、冯磊副研究员及木拉提·阿不都艾尼博士),与紫金山天文台袁强研究员、南京师范大学武雷教授通过详细分析上述三个实验/观测结果以及对撞机实验限制,发现这三个反常信号均与暗物质紧密相关,可能具有共同的物理起源。在次最小超对称标准模型中,如果暗物质质量为50到100 GeV且轻子标量伴子轻于1 TeV,暗物质不仅可以通过标准模型Z玻色子或希格斯玻色子共振湮灭以产生正确的暗物质丰度,而且还可以通过单态希格斯共振有效地在近零温度下s波湮灭到b夸克对末态,从而自然地解释Fermi-LAT银心伽马射线兆电子伏超出和AMS-02反质子超出。同时,暗物质又可以与轻子标量伴子一起通过量子效应正确地解释Muong-2(图1左)。最后,作者们指出在不远的将来XENONnT/PandaX-4T等地下探测实验(图1右)或AMS-02反氘(反氦)探测可以实现对该机制的完全检验。这对下一步暗物质性质研究具有重要的指导意义。

  该论文已在线发表在综合类学术期刊Science Bulletin。此项研究得到了国家自然科学基金委、中国博士后科学基金、江苏省双创计划、江苏省特聘教授计划、南京师大彭桓武科教合作中心、天体物理与前物理交叉中心等的支持。

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图1:左为满足Muon g-2和FermiLat银心伽马射线兆电子伏超出的参数空间(红色点),满足AMS-02反质子超出的参数空间(蓝色阴影区域);右为暗物质与核子自旋无关的散射截面,其中黑色实线和蓝色虚线分别是XENON-1T和XENON-nT实验90%置信水平排除线(图取自Abdughani et al. 2021 Sci. Bull.)。

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