同位旋非對稱核物質狀態(tài)方程在暗物質探測中的應用.pdf

1、暗物質的存在已經毋庸置疑，根據Planck衛(wèi)星對宇宙早期產生的微波背景輻射中溫度漲落的觀測可以確定暗物質占據了宇宙中約27%的總能量；然而圍繞其物理本質的探測研究近年來卻剛剛起步。暗物質的探測手段根據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、測到了超出預期本底的疑似信號并由此確定出了暗物質的質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)現同位旋非對稱核物質狀態(tài)方程的研究成果能夠幫助我們更好地分析暗物質探測實驗的結果。特別是對于isospin-violating dark matter（IVDM），這類暗物質模型中通過假設暗物質粒子

3、與核子間的相互作用是同位旋相關的，從而能夠緩解甚至消除不同實驗結果間的矛盾。然而通過計算我們發(fā)現，使用豐中子的靶核來探測IVDM的實驗結果將非常敏感于非對稱核物質核態(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子分布的重要參數，因此間接決定了核中質子、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的中子皮數據確定了對稱能大小的變化區(qū)間，從而確定了相應的形狀因子的數值。將其代入直接探測實驗后我們發(fā)現，對于中子、質子間有效耦合常數之比等于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。這個效應隨著暗物質質量和對稱能的增大而逐步變強，其中對于質量大于80 GeV的暗物質粒子，對稱能效應將能夠

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的致密星體來約束暗物質與核子的散射截面。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超直接探測實驗的靈敏度。如果假設致密星是中子星，那么根據中子星PSR B1257+12的存在事實，我們給出了其對暗物質-質子散射截面σp的約束。其中，對于質量小于20 GeV的暗物質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”了暗物質的結果。除此之外我們還發(fā)現中子星對暗物質與質子散射截面的約束將會非常依賴于暗物質與中子、質子間有效耦合常數之比fn/fp的數值，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質子相對于中子的分布情況，因此我們還發(fā)現對稱能的不確定性也能使得對σp的約束產生2倍以上的偏差。
　　最后，假設致密星是奇異夸克星（strange quark