同位旋非對(duì)稱(chēng)核物質(zhì)狀態(tài)方程在暗物質(zhì)探測(cè)中的應(yīng)用.pdf

1、暗物質(zhì)的存在已經(jīng)毋庸置疑，根據(jù)Planck衛(wèi)星對(duì)宇宙早期產(chǎn)生的微波背景輻射中溫度漲落的觀測(cè)可以確定暗物質(zhì)占據(jù)了宇宙中約27%的總能量；然而圍繞其物理本質(zhì)的探測(cè)研究近年來(lái)卻剛剛起步。暗物質(zhì)的探測(cè)手段根據(jù)其原理的不同可以分為直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)、間接探測(cè)實(shí)驗(yàn)、碰撞實(shí)驗(yàn)和其它探測(cè)手段四種，其中又以探測(cè)暗物質(zhì)與原子核散射信號(hào)的直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)最為有效。近年來(lái)，一系列的暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)在世界各地建成并開(kāi)始運(yùn)行，其中以DAMA-Libra為代表的一批實(shí)驗(yàn)中觀

2、測(cè)到了超出預(yù)期本底的疑似信號(hào)并由此確定出了暗物質(zhì)的質(zhì)量大小和其與核子的散射強(qiáng)度。然而，另外一些靈敏度更高的實(shí)驗(yàn)中卻并未看到類(lèi)似的信號(hào)，使得之前實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信度受到了極大的沖擊。
　　為了解決上述實(shí)驗(yàn)間的矛盾人們嘗試了多種手段，其中我們發(fā)現(xiàn)同位旋非對(duì)稱(chēng)核物質(zhì)狀態(tài)方程的研究成果能夠幫助我們更好地分析暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。特別是對(duì)于isospin-violating dark matter（IVDM），這類(lèi)暗物質(zhì)模型中通過(guò)假設(shè)暗物質(zhì)粒子

3、與核子間的相互作用是同位旋相關(guān)的，從而能夠緩解甚至消除不同實(shí)驗(yàn)結(jié)果間的矛盾。然而通過(guò)計(jì)算我們發(fā)現(xiàn)，使用豐中子的靶核來(lái)探測(cè)IVDM的實(shí)驗(yàn)結(jié)果將非常敏感于非對(duì)稱(chēng)核物質(zhì)核態(tài)方程中對(duì)稱(chēng)能的大小。這是因?yàn)橹苯犹綔y(cè)實(shí)驗(yàn)中一般都是使用形狀因子來(lái)描述暗物質(zhì)與原子核的散射強(qiáng)度，而理論上對(duì)稱(chēng)能的大小是描述原子核中中子相對(duì)于質(zhì)子分布的重要參數(shù)，因此間接決定了核中質(zhì)子、中子形狀因子的相對(duì)大小。由于目前我們對(duì)對(duì)稱(chēng)能的了解還非常不足，因此本文中我們?cè)赟kyrme-

4、Hartree-Fock模型的框架下通過(guò)擬合美國(guó)Jefferson國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的PREX實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的208 Pb的中子皮數(shù)據(jù)確定了對(duì)稱(chēng)能大小的變化區(qū)間，從而確定了相應(yīng)的形狀因子的數(shù)值。將其代入直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)后我們發(fā)現(xiàn)，對(duì)于中子、質(zhì)子間有效耦合常數(shù)之比等于fn/fp=?0.7的IVDM，對(duì)稱(chēng)能將能夠明顯地增加以氙為靶核的探測(cè)器的靈敏度。這個(gè)效應(yīng)隨著暗物質(zhì)質(zhì)量和對(duì)稱(chēng)能的增大而逐步變強(qiáng)，其中對(duì)于質(zhì)量大于80 GeV的暗物質(zhì)粒子，對(duì)稱(chēng)能效應(yīng)將能夠

5、使得氙核探測(cè)器的靈敏度提升一個(gè)量級(jí)以上。
　　除了直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)之外，我們還可以使用分散在銀河系內(nèi)的致密星體來(lái)約束暗物質(zhì)與核子的散射截面。特別是對(duì)于無(wú)（自）相互作用的玻色型IVDM，致密星體對(duì)其的約束強(qiáng)度甚至能夠遠(yuǎn)超直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)的靈敏度。如果假設(shè)致密星是中子星，那么根據(jù)中子星PSR B1257+12的存在事實(shí)，我們給出了其對(duì)暗物質(zhì)-質(zhì)子散射截面σp的約束。其中，對(duì)于質(zhì)量小于20 GeV的暗物質(zhì)粒子這顆中子星給出的約束以幾個(gè)量級(jí)的偏差

6、排除了目前所有的直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)中聲稱(chēng)“發(fā)現(xiàn)”了暗物質(zhì)的結(jié)果。除此之外我們還發(fā)現(xiàn)中子星對(duì)暗物質(zhì)與質(zhì)子散射截面的約束將會(huì)非常依賴(lài)于暗物質(zhì)與中子、質(zhì)子間有效耦合常數(shù)之比f(wàn)n/fp的數(shù)值，對(duì)于不同的fn/fp約束的強(qiáng)度甚至將有量級(jí)上的差別。另外，由于對(duì)稱(chēng)能的高密行為將直接決定中子星內(nèi)質(zhì)子相對(duì)于中子的分布情況，因此我們還發(fā)現(xiàn)對(duì)稱(chēng)能的不確定性也能使得對(duì)σp的約束產(chǎn)生2倍以上的偏差。
　　最后，假設(shè)致密星是奇異夸克星（strange quark