同位旋非對稱核物質(zhì)狀態(tài)方程在暗物質(zhì)探測中的應(yīng)用.pdf

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

2、測到了超出預(yù)期本底的疑似信號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度。然而，另外一些靈敏度更高的實驗中卻并未看到類似的信號，使得之前實驗結(jié)果的可信度受到了極大的沖擊。
　　為了解決上述實驗間的矛盾人們嘗試了多種手段，其中我們發(fā)現(xiàn)同位旋非對稱核物質(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)探測實驗的結(jié)果。特別是對于isospin-violating dark matter（IVDM），這類暗物質(zhì)模型中通過假設(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驗結(jié)果間的矛盾。然而通過計算我們發(fā)現(xiàn)，使用豐中子的靶核來探測IVDM的實驗結(jié)果將非常敏感于非對稱核物質(zhì)核態(tài)方程中對稱能的大小。這是因為直接探測實驗中一般都是使用形狀因子來描述暗物質(zhì)與原子核的散射強度，而理論上對稱能的大小是描述原子核中中子相對于質(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大小。由于目前我們對對稱能的了解還非常不足，因此本文中我們在Skyrme-

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

5、使得氙核探測器的靈敏度提升一個量級以上。
　　除了直接探測實驗之外，我們還可以使用分散在銀河系內(nèi)的致密星體來約束暗物質(zhì)與核子的散射截面。特別是對于無（自）相互作用的玻色型IVDM，致密星體對其的約束強度甚至能夠遠(yuǎn)超直接探測實驗的靈敏度。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，我們給出了其對暗物質(zhì)-質(zhì)子散射截面σp的約束。其中，對于質(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量級的偏差

6、排除了目前所有的直接探測實驗中聲稱“發(fā)現(xiàn)”了暗物質(zhì)的結(jié)果。除此之外我們還發(fā)現(xiàn)中子星對暗物質(zhì)與質(zhì)子散射截面的約束將會非常依賴于暗物質(zhì)與中子、質(zhì)子間有效耦合常數(shù)之比fn/fp的數(shù)值，對于不同的fn/fp約束的強度甚至將有量級上的差別。另外，由于對稱能的高密行為將直接決定中子星內(nèi)質(zhì)子相對于中子的分布情況，因此我們還發(fā)現(xiàn)對稱能的不確定性也能使得對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