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奋进南师

我校物科院武雷教授与中科院紫金山天文台范一中研究员团队、袁强研究员在暗物质研究方面取得重要科研进展

近期,我校物理科学与技术学院武雷教授与中科院紫金山天文台范一中研究员团队、袁强研究员联合提出一种能够解释缪子反常磁矩、银河系中心兆电子伏伽马射线超出和AMS-02反质子超出的暗物质新机制。该成果以《A common origin of muon g-2 anomaly, Galaxy Center GeV excess and AMS-02 anti-proton excess in the NMSSM》为题正式发表在国际权威自然科学综合性学术刊物Science Bulletin(IF=11.78,SCI一区,https://doi.org/10.1016/j.scib.2021.07.029)。

天文学和宇宙学大量观测表明,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。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21世纪最大科学之谜。世界科技大国都在积极布局开展这方面的研究和探测。最近,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),给出了最新的世界平均值(116 592 061 ± 41) × 10−11,发现与标准模型理论预言值(116 591 810 ± 43) × 10−11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(发布会当天线上线下有近万人观看)。另一方面,天文学上伽马射线和宇宙射线间接探测寻找暗物质的实验,如FermiLat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!

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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Xenon1T和XenonnT实验90%置信水平排除线(图取自Abdughani et al. 2021 Sci. Bull.)

南京师范大学的武雷教授、紫金山天文台范一中研究员团队(还包括蔡岳霖、冯磊副研究员及木拉提博士)与袁强研究员通过详细分析上述三个重要实验数据以及对撞机实验限制,发现上述三个反常信号均与暗物质紧密相关,具有共同的物理起源。以次最小超对称标准模型为例,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,从而自然的解释FermiLat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的解释Muong-2(左图)。最后,他们在文章中指出在不远的将来XENONnT/PandaX-4T等地下探测实验(右图)或AMS-02反氘或反氦探测将可以实现对该机制的完全检验。这将对下一步暗物质性质研究具有重要指导意义。

该论文获得了匿名审稿专家的高度评价,已正式在线发表在国际顶级综合类期刊Science Bulletin(IF=11.78)。武雷教授与紫金山天文台范一中研究员、蔡岳霖副研究员为论文共同通讯作者。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。

文章链接:https://doi.org/10.1016/j.scib.2021.07.029

  • 更新时间

    2021年09月30日 11:16

  • 阅读量

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    物科院

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