暗物質是粒子物理與宇宙學的一個熱點前沿方向。天文學和宇宙學觀測表明，非重子的暗物質在宇宙的全部物質中占據主導地位。然而，粒子物理的標準模型卻無法為暗物質提供候選粒子，這預設著可能超出標準模型新物理。當前主流的一類暗物質理論是在標準模型之外引入一個弱相互作用大質量粒子(WIMP)，它的產生機制是所謂的熱脫耦，即在宇宙早期，暗物質粒子兩兩湮滅并和標準模型粒子發生散射從而處于熱平衡態，但隨著宇宙的膨脹和冷卻，在某個溫度之后，暗物質被稀釋以至于無法再湮滅，于是它們在共動坐標系中的數量就固定了下來，演化至今天形成當前的暗物質遺跡。然而，在最近十多年來，暗物質直接探測實驗的靈敏度提高了很多個數量級，卻沒有探測到信號，這就對WIMP暗物質理論提出了挑戰。這啟發人們思考，暗物質有沒有可能不是簡單的WIMP？暗物質是不是非熱產生的？
希格斯是粒子物理前沿的焦點問題之一。自從歐洲核子中心的大型強子對撞機實驗在2012年發現了希格斯玻色子，對希格斯玻色子性質的研究就成為了粒子物理學界的一個中心問題。在標準模型中，希格斯粒子是一個基本的標量場，它的一個理論缺陷是著名的規范等級問題，即假如標準模型能夠適用到很高的能標例如普朗克能標，那么不受任何對稱性保護的希格斯粒子的質量為何只有125GeV？這個問題的一個簡單的解決方案就是認為希格斯粒子是類似于強子模型中的介子，是由更基本的“夸克”通過某種新的強相互作用而形成的束縛態，這類模型被稱作復合希格斯模型。
圖 1
近日，我校物理學院張宏浩教授、蔡成豐博士及其合作者提出了一種基于真空非對齊的新的暗物質非熱產生機制，這一機制可以適用于包括復合希格斯在內的一大類模型。真空非對齊是對稱性自發破缺的一種方式，如圖1(a)所示。我們以一個簡化的復合希格斯模型為特例闡述了機制的運作方式。在高溫時，電弱真空隨手征對稱性破缺而發生大的破缺，真空非對齊角在一段時間內維持在90度，即對應于一個無希格斯粒子(Higgsless)的真空。此時希格斯場會與模型中其它的贗南部-戈德斯通玻色子組合成一個質量復標量場，假定這個復標量可以攜帶一個新的U(1)對稱性的非零荷，則它在這個真空中不會完全衰變為標準模型的粒子。如果模型中還有一些暗物質粒子也帶有這個U(1)對稱性的荷，那么希格斯場在這個真空中與暗物質受到相同對稱性保護，同屬于所謂的暗的部分。如果引入的新的U(1)對稱性是電弱反常的，則在發生電弱相變時可通過sphaleron不對稱地產生正反暗物質，之后正反暗物質會互相湮滅，直到反物質（或正物質）被全部湮滅，而最終殘留的部分就可作為宇宙的暗物質遺跡。在我們的理論機制中，暗物質遺跡的不對稱產生是在無希格斯真空下發生的，但隨著溫度的降低，真空非對齊角會開始變小并最終演化為今天的標準模型真空，真空非對齊角隨溫度的變化參見圖1(b)，而暗的U(1)對稱性也隨之發生自發破缺。在真空非對齊角開始偏離90度時，希格斯粒子開始從暗的部分中分離出來，也就是說希格斯粒子有可能在較高溫度時曾經屬于暗的一部分，但在溫度降低后從暗的部分中演生出來，成為一個不穩定的實標量粒子。另一方面，還有一些復合暗物質粒子因為受到一個Z_2對稱性的保護而不會完全衰變為標準模型粒子，它們雖然在無希格斯真空下是復標量場，但在標準模型真空下卻會劈裂為兩個有質量差別的實標量場，于是通過Z規范玻色子與原子核散射的過程被運動學禁戒，從而不會受到很強的直接探測限制。我們的理論機制預言，總會存在一個輕的贗標量粒子，這對暗物質直接探測如Xenon1T實驗、宇宙學觀測、超新星觀測以及在對撞機實驗中探測“Z規范玻色子衰變到光子及這個贗標量粒子”過程等結果都有深遠的影響，從而可以得到檢驗。這項研究成果于2020年7月8日在線發表在Phys.Rev.Lett.125,021801(2020)上。
此項研究工作得到了國家自然科學基金委的面上項目、青年科學基金，中國博士后科學基金面上項目，中山大學青年教師重點培育項目，以及中山大學物理學院的大力支持。
論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.021801
