摘要：如今，人们已认识到，所有已知物质，即科学研究和技术利用的物质，仅占宇宙总量的5%。其余部分由两种未知成分组成：暗物质（约27%）和暗能量（约68%）。这一计算结果几十年前就已得到证实，至今仍让普通民众和科学家都感到惊讶。
如今，人们已认识到，所有已知物质，即科学研究和技术利用的物质，仅占宇宙总量的5%。其余部分由两种未知成分组成：暗物质（约27%）和暗能量（约68%）。这一计算结果几十年前就已得到证实，至今仍让普通民众和科学家都感到惊讶。
就暗物质（DM）而言，有大量证据表明它确实存在，所有这些证据都源于它与普通物质的引力相互作用。这些证据的来源包括星系中恒星的自转曲线、星系团中星系运动的差异、宇宙中大尺度结构的形成，以及均匀分布于整个空间的宇宙背景辐射。
尽管我们高度确信DM的存在，但我们并不清楚它究竟是什么。迄今为止提出的几种模型均已失效。
巴西圣保罗大学（USP）研究人员的一项新研究提出了一种非弹性DM模型，该模型通过类似于光子但具有质量的矢量介体与普通物质相互作用。该研究旨在开辟一扇新的观察之窗。一篇关于该主题的文章发表在《高能物理杂志》上。
“在这项工作中，我们考虑了一个由暗区组成的 DM 模型，其中的光粒子与标准模型 [SM] 的已知粒子相互作用较弱，”物理研究所 (IF-USP) 的博士生、本文第一作者 Ana Luisa Foguel 说。
最初，对DM粒子的搜索重点关注质量远大于电子甚至远大于标准模型（SM）中最重粒子的候选粒子。当时的想法是，由于这些粒子质量过大，无法由能量尚不足以驱动的粒子对撞机产生。然而，即使在欧洲核子研究中心（CERN，法语官方缩写）的大型强子对撞机（LHC）上进行的实验中，也没有观测到超越标准模型（SM）的新粒子。
因此，科学界的一些人将注意力转向寻找相互作用极弱的轻粒子。他们的想法是，由于这类粒子与普通物质的相互作用非常弱，因此尚未被观测到。为了探究这些粒子的迹象，实验需要向所谓的“强度边界”迈进，这意味着实验必须以越来越高的精度测量耦合和相互作用，以发现任何可能预示着新事物存在的差异。
热冻析
研究正朝着这个方向发展。
“在考虑新的暗物质模型时，首先要知道如何才能产生适量的这种成分。现在，这个量可以通过例如宇宙背景辐射的数据进行非常精确的测量。目前已知的几种机制可能导致早期宇宙中暗物质的产生。其中最具理论意义的机制之一就是所谓的‘热冻结’，”福格尔说道。
在粒子物理学和宇宙学中，热冻结是指某些粒子与热浴分离的时刻，这意味着将这些粒子转化为其他标准模型粒子的相互作用不再充分。在此之后，由于没有任何过程可以改变这些粒子的数量，它们的丰度“冻结”，几乎保持不变。
“这种机制很有趣，也很广为人知，因为我们有几个 SM 粒子的例子，它们的丰度就是以这种方式产生的。因此，很自然地认为 DM 的成分也是由类似的机制产生的，”研究人员评论道。
在这种机制中，DM候选粒子在宇宙诞生后不久就与普通物质粒子处于“热浴”中。换句话说，所有粒子都会迅速相互作用，以共享相同的温度。随着宇宙膨胀和冷却，粒子失去了这种热接触。这个过程被称为“冻蚀”。
“确切的解耦时刻取决于DM粒子和SM粒子之间相互作用的概率。这个概率由一个我们称之为σ激波截面的变量参数化。如果σ非常小，DM粒子会很早就解耦，并且它们的丰度非常高。相反，如果σ非常大，DM粒子会保持更长时间的热接触，湮灭成SM粒子，因此当它稍后解耦时，它的丰度就不够了。”Foguel指出。
对于轻型暗物质（DM），其与普通物质的相互作用是通过一个入口进行的。换句话说，暗物质粒子并非与所有标准物质粒子直接耦合，而是与一个中介粒子耦合，该中介粒子促进暗物质与标准物质之间的相互作用。这种相互作用的σ激波部分与暗物质的质量成正比，与入口粒子的质量成反比。
因此，对于能级低于千兆电子伏特的轻粒子候选者来说，门户不能太重。因此，介导弱相互作用的标准模型玻色子（W +、W -和Z 0）无法充当门户。必须引入一个新的暗粒子来介导暗物质和标准模型之间的相互作用。
“在我们的模型中，介导两个扇区之间关系的粒子是矢量玻色子（ZQ）。它的行为类似于光子，即介导电磁相互作用的粒子，但它具有质量。此外，该模型的不同之处在于，该介体也与其他标准模型粒子直接相互作用，”研究人员说道。
该介体将连接标准模型粒子和暗物质粒子。根据提出的模型，这些粒子有两种类型：一种是稳定粒子（χ₁），它将构成暗物质本身；另一种是稍重的不稳定粒子（χ₂）。这些粒子总是会同时与ZQ介体相互作用。换句话说，介体会同时与两者相互作用。这将构成一种特殊类型的暗物质，称为“非弹性暗物质”。
此外，χ₂ 可以衰变成 χ₁ 和标准模型粒子。这项研究表明，这些排列方式可以解释宇宙中 DM 的丰度，同时规避阻碍其探测的实验限制。
值得注意的是，像我们这样具有非弹性DM的模型之所以有趣，是因为除了能够解释通过冻出机制高效生成DM之外，它们还能规避当前直接和间接探测的局限以及宇宙学的局限。原因在于，由于χ₂不稳定，且相互作用依赖于χ₂，因此在复合时期没有足够的χ₂粒子数量将能量注入等离子体，从而可能改变宇宙背景辐射。
“而且，当前宇宙中也没有 χ₂ 可以与 χ₁ 衰变或湮灭，从而产生能够间接探测的信号。此外，如果 χ₁ 要在直接探测实验中相互作用，它必须转化为 χ₂，而这非常困难，因为 χ₂ 的质量更大，”福格尔解释道。
克服“香草”模式
研究人员表示，提出的新模型可以替代非弹性DM的“香草”模型，后者考虑了不与DM粒子直接耦合的介质。在粒子物理学中，“香草”指的是最基本、最简约的模型版本，其理论成分尽可能少。
“香草模型实际上已经被排除，因为几乎所有能够重现DM正确丰度的参数都被实验搜索抛弃了。因此，我们研究的主要目标是表明，通过对该模型进行简单的修改——允许介质直接耦合而非间接耦合——我们有可能‘拯救’非弹性DM，”Foguel解释道。
考虑到提出的模型，我们首先使用冻析过程计算了DM的丰度，并在线提供了一个代码，以便重现这些计算，显示了在正确的丰度下，对于不同的Q负载选择，产生非弹性DM的参数空间区域。之后，我们重点研究了不同实验的极限。
“我们得出的结论是，对于某些模型，参数空间的新区域已被‘解锁’，也就是说，有些参数能够重现DM的正确丰度，而且尚未被排除。其中一些参数区域可以在未来的实验中进行研究。”
IF-USP 的全职教授、Foguel 的导师、研究协调员和本文的合著者 Renata Zukanovich Funchal 总结道：“使用更通用的矢量介质为可行的非弹性 DM 模型打开了一扇新的窗户，对衰减速率、实验特征和宇宙学极限有直接影响。”
来源：旧城以西侯先生
