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物理学院王志伟研究员在Physical Review Letters上发表科研成果
文:王志伟 图:王志伟 来源:物理学院 时间:2023-01-03 14783

  近日,电子科技大学物理学院校”百人计划”青年项目入选者、特聘研究员王志伟与瑞典隆德大学教授Roman Pasechnik,瑞典斯德哥尔摩大学博士后研究员Pierluca Carenza, Gustavo Salinas,在物理顶尖期刊《Physical Review Letters》上发表论文“Glueball Dark Matter Revisited”。我校王志伟研究员为论文的通讯作者,与Pierluca Carenza博士同为论文第一作者。

QQ截图20230103141638.jpg

  该论文综合了有效理论以及格点计算结果,第一次对胶子球暗物质(glueball dark matter)的产生机制进行了详细讨论,并首次严格地给出了暗物质的残留丰度(relic abundance),修正了文献中广泛使用的估算值(差一个数量级)。

  描述整个微观世界的标准模型(the Standard Model)被认为是人类迄今最伟大的成就之一,仅仅六种夸克、六种轻子、三种相互作用力以及希格斯粒子,仅需要一张纸巾上就可以写下描述微观世界(除引力外)包罗一切的方程。虽然标准模型如此成功,而且在地球上的实验室得到过无数次的验证,但在宇宙的尺度上,标准模型远远不足以解释宇宙的基本组分。通过宇宙学观测,如著名的微波背景辐射,标准模型所描述的人类已知物质仅占宇宙中不到5%。物理学家将宇宙中其余的未知物质称为暗物质(约占26%)及暗能量(约69%)。对暗物质的探索,已经成为粒子物理最前沿的问题之一。

  构建暗物质理论模型需要满足几个重要条件,暗物质粒子需要在宇宙的时间尺度上足够稳定,才能够存在至今。同时暗物质粒子与标准模型中粒子的相互作用需要足够弱,才能已知藏匿于我们眼下。有不少暗物质理论模型满足这些条件,如著名的弱相互作用大质量粒子(WIMP)、轴子(axion)等。在这些模型中,强相互作用暗物质理论具有较大优势。由于暗物质需要足够稳定,我们可以借鉴标天然就十分稳定的质子或中子,它们属于标准模型中强相互作用复合粒子。所以,只要构造出具备类似于标准模型中的强相互作用理论结构的暗物质模型,就可以自然的实现暗物质的稳定性了。常见的强相互作用暗物质候选者有重子(baryon-like)暗物质及胶球(glueball- like)暗物质。论文团队的工作选择了胶球暗物质。

  描述标准模型强相互作用的量子色动力学(QCD)理论认为,强相互作用的媒介粒子-胶子,可以通过自相互作用形成束缚态,即胶球。类比于此,暗物质理论可以构建“暗”胶子来传递暗物质之间的相互作用,同时“暗”胶子也能形成束缚态即胶球暗物质。

  研究强相互作用暗物质的理论难点在于理论的非微扰特征。物理学家目前对于微观世界的精确计算很大程度取决于理论中相互作用的强弱。当相互作用足够弱时,可以用比较成熟的微扰计算逼近最终的结果。但当相互作用很强时,微扰计算就失效了,因此需要发展出新的计算方法来定量研究。该论文的工作正是结合了有效理论及格点计算结果这两种非微扰方法,首次对胶球暗物质的产生进行了严格的定量计算。

  下图为胶球暗物质场随着宇宙温度的演化。以此可以计算出宇宙中暗物质的能量密度。十分有趣的是,不管场在宇宙早期的初始值如何,最终都会收敛到一个固定的值。

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  论文团队的工作为研究强相互作用暗物质的产生机制,特别是精确的定量计算奠定了基础,给出了具体的计算框架,为进一步研究更为复杂的强相互作用暗物质模型铺设了道路。

  王志伟,博士,特聘研究员,校百人计划入选者,2011年1月- 2016年8月,在加拿大萨斯卡切温大学获得哲学博士。2016年9月-2019年8月,加拿大滑铁卢大学与丹麦CP3-Origins国家粒子物理杰出研究中心合聘博士后研究员。2019年9月-2021年8月,丹麦CP3-Origins国家粒子物理杰出研究中心(Center of Excellence)博士后研究员。2021年9月-2022年9月,瑞典Lund University研究员(高级博士后研究员),2022年10月至今,电子科技大学“百人计划”特聘研究员。曾于2017年获得加拿大总督学术金牌,为加拿大授予博士期间学术成就的最高荣誉,并获得University of Saskatchewan全校最佳博士毕业论文,以及Ishwar Gupta物理奖。研究领域为高能理论物理,研究方向集中在超越标准模型新物理“唯象”与“理论”的交叉方向,是高能物理理论研究最前沿热门方向之一。近年来在相关领域做出了一系列重要工作,完成学术论文26篇,其中在国际权威学术期刊Phys.Rev.Lett.,JHEP,Phys.Rev.D等发表论文21篇(第一作者及通讯作者19篇,包括4篇顶尖期刊Phys.Rev.Lett.) ,总引用610次,h-index16,十多次受邀在国际学术会议上作邀请报告。


  论文链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.261302


编辑:李文云  / 审核:林坤  / 发布:陈伟