| 引文格式 |
| Murat Abdughani, Yi-Zhong Fan, Chih-Ting Lu, Tian-Peng Tang, Yue-Lin Sming Tsai. Muonphilic Dark Matter explanation of gamma-ray galactic center excess: a comprehensive analysis. JHEP 07 (2022) 127. |
| 题目 |
| 类缪轻子暗物质解释银河系中心伽马射线超出 |
| Title |
| Muonphilic Dark Matter explanation of gamma-ray galactic center excess: a comprehensive analysis |
| 专家照片 
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| 座右铭 |
| 读书顺用心，一字值千金 |
| 个人简介 |
| 木拉提·阿不都艾尼，2015-2020年在中国科学院理论物理就读于理论物理研究生，在此期间获得研究生国家奖学金和朱李月华优秀博士生等奖学金等奖状。2020-2022年在中国科学院紫金山天文台从事博士后工作。在博士后期间主持一项国家自然科学基金理论物理专款项目和一项国家博士后自然科学基金。2022年入职新疆大学物理科学与技术学院，入职新疆大学后获得自治区“天池英才”青年博士人才引进项目和国家自然科学基金青年项目。在Science Bulletin、Journal of High Energy Physics、Physical Review D等国内外重要学术刊物上发表SCI论文10余篇。 |
| 研究领域 |
| 暗物质、机器学习等 |
| 研究背景/选题意义/研究价值 |
暗物质是解释许多天体物理和宇宙学问题的成功候选者。除了那些强引力暗物质证据之外，我们仍在通过对撞机实验、暗物质直接探测和间接探测等手段寻找暗物质与可见物质之间的非引力相互作用，以确定暗物质粒子的性质。在这些非引力探测中，银河系中心伽马射线超出（Galactic Center gamma-ray Excess，GCE）揭示了一种可能性，即银河系中心质量在30-70 GeV左右的暗物质湮灭能够很好地符合能量和空间光谱的形状。然而，这种 GCE 的起源一直存在争议。一种可能的天体物理学解释是，一些未被发现的毫秒脉冲星集中在银河系中心附近和整个银河系的隆起中。另一种解释是被称为 Sgr A* 的超大质量黑洞加速的轻子或强子爆发。
这些 GCE 分析的系统不确定性尚不清楚。仅利用 GCE 费米数据来发现或排除暗物质起源是一项挑战。检验暗物质起源的一个策略是与其他天体物理数据进行交叉检验，如费米实验室（Fermi-LAT）观测到的矮球状星系（dSphs）和AMS-02宇宙射线数据。一旦上述所有数据都不支持暗物质湮灭，我们就可能放弃暗物质对GCE的解释。出于这种考虑，最近的一项研究结合了48个dSphs的伽马射线数据和最新的AMS-02正负电子数据，进行了综合分析。他们重点研究了暗物质湮灭到一对标准模型带电费米子末态的情况，即暗物质+暗物质->费米子+费米子反粒子。当终态粒子质量大于80 GeV时，暗物质湮灭不能产生与GCE数据拟合良好的频谱。虽然暗物质湮灭产生的纯强子末态或轻子末态与强子末态的混合末态可以拟合GCE数据，但它们对AMS-02反质子数据所要求的扩散区垂直半高L ≈ 2 kpc与放射性宇宙线和射电数据的拟合值L ≈ 4.1 kpc在2-3西格玛的置信水平下存在矛盾。另一方面，AMS-02 的 e+ 数据不支持 e+e- 的暗物质湮灭终态，因为作者采用了半解析传播方程，并解决了来自 L 和暗物质晕轮廓的不确定性。最后，DiMauro等人在文献Phys. Rev. D 103 (2021) 123005中声称暗物质湮灭到缪情字μ末态（以下称为类缪轻子暗物质）可以合理地解释GCE，而不违反其他天体物理约束。DiMauro等人在文章中并没有考虑末态带电费米子对和中微子对的混合。由于末态中微子不影响伽马射线谱，这种情况与纯缪轻子对的情况有些类似。然而，他们所涉及的传播方程和未知源的天体物理系统不确定性可能被低估了。因此，要进一步探究这种类缪轻子暗物质模型，就非常需要实施相互作用项的引入和与其他数据的比较。 |
| 主要研究内容 |
在这项工作中，我们提出利用粒子实验约束来验证类缪轻子暗物质GCE信号。这至少有四个重要动机。首先，PandaX-4T给出的最新暗物质直接探测极限在暗物质和核子散射之间提供了严格的约束。如果暗物质只与缪轻子耦合，自然会产生一个圈图抑制的暗物质-核子散射截面。因此，类缪轻子暗物质能够解释GCE并摆脱PandaX-4T探测的约束也就不足为奇了。其次，费米实验室E989实验最新报告的缪轻子磁矩反常g-2测量值为δa_μ = (2.51 ± 0.59) x 10-9，在4.2西格玛的置信水平上偏离了标准模型的预言。缪轻子磁矩反常的符号可以是正的，也可以是负的，这取决于媒介粒子的性质，但综合结果可以限制类缪轻子暗物质模型的参数空间。第三，热暗物质范式的遗迹密度测定可以进一步缩小参数空间。早期和现在的湮灭截面之间的关系并非简单。传统上，湮灭截面可以简单地用相对速度的幂来展开，而放弃高阶贡献。在偏波方法中，我们可以定义 s 波的贡献来自常数，而 p 波的贡献来自速度的平方项。因此，早期宇宙的遗迹密度和现在宇宙的 GCE 相对速度是截然不同的。有趣的是，PLANCK的遗迹密度测量结果是否支持对GCE的缪轻子态暗物质解释。最后，具有Z2-偶媒介粒子的类缪轻子暗物质模型可以很容易地摆脱LEP和LHC的单光子和单射流约束，因此电弱尺度暗物质仍然是允许的。此外，未来的缪轻子对撞机也可以用来检验这些类缪轻子暗物质模型。对于Z2-偶媒介粒子，μ+μ- -> μ+μ-过程是直接寻找媒介粒子的有力手段，而单伽马过程则可以在壳上媒介粒子产生暗物质对时用来探索暗物质。另一方面，对于Z2-奇媒介粒子，可以通过它的成对产生过程来寻找，并再次利用t-道暗物质对产生的单伽马过程来探索暗物质。
在这项工作中，我们只需在标准模型中附加一个暗物质和一个媒介粒子，就能全面列出所有可能的可重正化相互作用。我们只关注标准模型中自旋为 s=0,1/2,1的暗物质和媒介粒子。Z2-偶情况共有16种相互作用类型，Z2-奇情况共有7种相互作用类型。我们将对所有这23种相互作用类型进行研究，并通过对PLANCK遗迹密度、费米GCE、PandaX-4T极限、LEP极限和缪轻子磁矩反常的似然性进行全局分析，剔除一些不被看好的类型。
图1 暗物质湮灭到缪轻子对（左图）和两个缪轻子对（右图）末态的反康普顿散射（黑色虚线）和瞬时发射（绿色虚线）的伽马射线通量分量。反康普顿散射和瞬时发射的组合用红色实线表示。暗物质质量m_D、媒介粒子质量M 和湮灭截面 <σv>2μ/4μ是最佳拟合的暗物质参数。蓝色和橙色的GCE数据点来自参考文献PRD103(2021)6,063029，而我们的卡方计算只考虑了蓝色数据点。
图2 卡方在2西格玛置信度范围内投影在mD对 M平面上的样本。红色、绿色和灰色区域分别对应于 GCE 光谱原始误差条、经最小卡方平方根放大的误差条和暗物质光谱落入图1灰色区域的样本。图的右下角标注了模型编号，其信息见原文章。 
图3 暗物质-夸克散射费曼图。左面板为Z2偶媒介粒子情况下的单圈贡献，中面板给出的是两圈贡献，右面板为Z2奇情况中的单圈贡献。 |
| 主要创新点 |
| 我们从完备性观点出发考虑所有暗物质湮灭到缪轻子对末态的树图相互作用可能性，暗物质及媒介粒子的多种自旋情况，列出全部拉氏量仔细分析其差异。发现两个缪轻子对末态的不可避免性及其对此暗物质模型的约束。引入直接探测和缪轻子磁矩反常实验数据分析23种相互作用情况的现状和未来。 |
