物理学-暗物质与探测

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本文利用MIKE/HIRES实验的高红移莱曼-α森林数据,对原初黑洞(PBHs)作为暗物质的丰度提出了更新约束。研究背景聚焦于原初黑洞在宇宙结构形成历史中的潜在作用及其对暗物质组成的贡献。作者采用有效场论(EFT)方法描述一维通量功率谱,从第一性原理解析预测了准线性尺度上的莱曼-α波动。这种基于EFT的似然方法能够在红移范围z=4.2-5.4以及低至100 kpc的尺度上进行稳健推断,探索了该数据集此前未触及的参数空间区域。通过分析,研究得出了对原初黑洞占总暗物质比例(f_PBH)的新限制,排除了质量范围在10^4至10^16太阳质量的原初黑洞群体中f_PBH大于10^-3的可能性。这一结果对于质量大于10^9太阳质量的原初黑洞提供了目前最强的约束,凸显了莱曼-α森林作为探测新物理模型的独特而敏感的工具,尤其是在那些可能改变宇宙结构形成历史的模型中。研究结论表明,莱曼-α森林数据在揭示宇宙早期物理过程和暗物质性质方面具有重要潜力,为未来相关研究提供了重要参考。

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本文研究了大麦哲伦云(LMC)坠入银河系(MW)所引发的晕扰动,为约束银河系暗物质(DM)分布提供了新途径。研究聚焦于LMC坠入引起的银河系盘相对于晕的反射运动,这一运动在晕星的运动学中表现为速度偶极子。作者探讨了偶极子随银心距离的变化,并分析了反射运动信号对不同暗物质外晕轮廓的敏感性。通过一系列基函数展开(BFE)模拟(采用截断NFW轮廓,密度在r=50 kpc以外按r^{-β}变化),N体模型揭示了以下关键发现:(1)反射运动的幅度随银心距离变化,但对外层暗物质斜率基本不敏感,表明银河系与LMC的质量比并非偶极子强度的唯一决定因素;(2)盘运动的方向对外层暗物质晕的密度分布极为敏感;(3)LMC引力拉动引起的银河系晕收缩也强烈依赖于外层暗物质晕轮廓;(4)研究发现了一种晕不稳定性,其振荡频率随β增加,可能在晕星平均径向速度中产生可观测的正弦模式信号。此外,利用BFE系数,研究表明更陡的截断会减小偶极子畸变,同时放大四极子畸变。这些结果表明,仅依靠反射运动幅度对银河系外层轮廓参数的约束能力有限。本研究为理解银河系暗物质分布及其动态演化提供了重要见解,并指出了未来观测和理论研究的潜在方向。

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本研究基于文献中提出的相关模型,编制了一份宇宙弦网络引力波背景(GWB)信号模板目录。作者将模板分为两类:常规模板,基于标准宇宙学和Nambu-Goto结果(VOS和BOS模型);以及非常规模板,基于对环数量密度(LRS、超弦、亚稳态、载流弦)、宇宙膨胀历史(非标准宇宙学、额外自由度,包括热或隔离自由度)或环特性(初始长度、功率发射)的修改。研究利用SBI软件包GWBackFinder,量化了LISA对每种信号的重建精度,扫描了参数空间,并进行了模型比较。对于常规信号,LISA能够以小于10%的误差重建张力参数Gμ(当Gμ≥5×10^{-15}时),误差在Gμ≥10^{-12}时进一步减小至2-3%。BOS和VOS模型在Gμ≥5×10^{-13}时可以被显著区分。对于非常规信号,研究确定了每个参数的信噪比(SNR)和误差阈值区间,并通过若干示例识别出它们与常规信号可区分的区域。作者指出,后续系列论文将进一步探讨在LISA观测窗口中,叠加主要天体物理前景的宇宙弦GWB信号的质量重建研究。本文为理解宇宙弦引力波背景的性质及其在未来引力波探测中的可观测性提供了重要基础,同时为区分不同宇宙弦模型及其参数提供了有效方法。

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本研究探讨了暗物质(DM)模型中粒子-反粒子数守恒(n_χ - n_χ)以及宇宙丰度不对称(n_χ ≠ n_χ)的情况如何受到古老中子星(NS)存在的挑战。研究指出,当暗物质在中子星中充分积累时,可能导致中子星坍缩成黑洞,从而对这类模型构成限制。作者进一步证明,这一约束条件适用范围更广,甚至涵盖了对称暗物质群体(n_χ = n_χ)的模型。这是因为由核子-暗物质散射调控的暗物质捕获过程可能本质上是不对称的(σ_χn ≠ σ_χn)。这种不对称性源于不同类型χ-n相互作用的干涉,前提是这些相互作用的组合在暗物质部门的电荷共轭(C_χ)下为奇数,而在联合宇称(P_χ+n)下为偶数。研究对暗物质-核子双线性相互作用(χ-n)进行了全面分析,发现这种不对称性非常普遍。基于典型中子星参数和局部暗物质晕输入,研究排除了在最大不对称捕获率下,暗物质质量m_χ ≲ 10^10 GeV时,自旋平均散射截面σ_nχ ≳ 10^{-46} cm2的可能性,并表明即使截面不对称性(A = (σ_χn - σ_χn)/(σ_χn + σ_χn))低至10^{-5},约束依然存在。这一研究为暗物质模型的验证提供了重要的新视角,尤其是在对称暗物质模型的约束方面,揭示了捕获过程不对称性的关键作用,并为未来暗物质探测和理论研究奠定了基础。

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随着引力波天文学进入常规探测时代,精确测量单个事件的物理参数并推断群体特性变得愈发重要。偏心率是一个关键的可观测参数,表明双星系统可能通过动态相遇在密集恒星环境中形成。本研究首次利用新开发的有效单体波形模型,对质量范围在[5, 200] M_⊙、20 Hz时偏心率高达0.5的双黑洞(BBH)系统进行匹配滤波搜索,以探测其引力波信号。在LIGO、Virgo和KAGRA的第三次观测运行期间,我们识别出28个BBH事件,其误报率低于每100年一次,这些事件此前已在GWTC-3和4-OGC目录中报告。此外,我们还报告了误报率在每1年至每100年一次之间的额外候选事件。为表征搜索管道的敏感体积时间,我们进行了一项注入测试。假设之前的搜索未漏掉任何偏心BBH事件,我们的结果对质量范围在[5, 30] M_⊙的偏心BBH事件率提供了约束。对于一个30-30 M_⊙、偏心率为0.5的BBH系统,事件率被限制在小于0.06 Gpc^{-3} yr^{-1},这相较于之前未使用模板的最小建模算法搜索,敏感体积提高了约一个数量级。本研究通过引入有效单体模板,显著提升了偏心双黑洞引力波信号的探测能力,为理解双黑洞系统的形成机制和宇宙环境提供了重要数据支持。

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脉冲星定时阵列(PTA)近期发现了引力波背景(GWB)的证据,这很可能是来自众多超大质量黑洞双星的引力波随机叠加的结果。研究预计不久将探测到来自单个双星的连续引力波(CW),因此本文探讨了当前贝叶斯方法在探测CW并表征其双星属性方面的能力。研究通过模拟NANOGrav 15年脉冲星定时阵列对模拟双星群体的响应,进行了马尔可夫链蒙特卡洛(MCMC)搜索以探测CW,并将其与更快速的检测统计方法进行比较,包括最佳信噪比(S/N)、匹配滤波检测统计量以及在注入参数下计算的信号与噪声模型之间的简化对数似然比。后者是贝叶斯检测分数的最佳代理,对应于S/N=4.6时50%的检测分数(贝叶斯因子>10,支持CW检测而非仅噪声模型)。研究发现,GWB与CW之间或多个CW之间的源混淆可能导致错误检测和意外忽略。与近期观测到的GWB一致的真实双星群体中,有53%成功探测到CW。其中82%的CW位于16.03年数据集的第4或第5个频率bin(6.9和10.8 nHz),95%置信区间覆盖4-12 nHz频率、0.7-20×10^9太阳质量的啁啾质量、60Mpc-8Gpc的光度距离,以及18-13,000平方度的68%置信定位区域。然而,这些成功检测的CW在啁啾质量的恢复上表现不佳,仅有29%的检测能以68%后验宽度小于1 dex的精度准确识别啁啾质量。研究结论表明,当前方法在复杂背景下的CW探测和参数估计仍面临挑战,但为未来探测提供了重要参考。

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本研究探讨了未来伽马射线实验(如e-ASTROGAM和AMEGO望远镜)通过探测原初黑洞(PBHs)的霍金辐射光子来研究暗物质的可能性,特别是在PBHs构成暗物质的一部分或全部的情况下。研究特别关注PBHs通过霍金辐射产生的新粒子,尤其是那些与标准模型(SM)几乎隔离的粒子,因为这些粒子在其他情况下可能难以被探测到。类轴子粒子(ALPs)是一个重要的研究对象,其与光子的耦合非常微弱。研究假设由PBHs产生的ALPs在到达地球之前已完全衰变成光子,因此这些光子将增强直接由PBHs辐射出的光子信号。研究发现,由于自旋相关的灰体因子,PBHs产生的ALPs的能量分布峰值与霍金辐射光子的峰值存在显著差异。这一特性使得PBHs的伽马射线光谱相对于标准模型预测发生了独特的变化。以单色小行星质量的PBHs为例,研究表明e-ASTROGAM能够观测到PBH产生的ALP伽马射线信号(对于质量高达约60 MeV的ALPs),并进一步将其与无ALPs的霍金辐射区分开来。通过测量伽马射线信号,e-ASTROGAM有望探索ALP质量和光子耦合参数中尚未被研究的领域。这一研究为探测暗物质和理解新物理提供了重要途径,同时展示了利用天体物理现象研究粒子物理的可能性。

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本研究提出了一种利用反铁磁体氧化镍搜寻轴子暗物质的新方法。氧化镍已被认为是探测亚MeV暗物质散射的极具潜力的目标材料,而本研究进一步展示了其在搜寻质量为meV范围的轴子暗物质方面的应用潜力,尤其是在与电子耦合的情况下可能涉及QCD轴子。研究通过基于对称性论证构建的通用有效场论,描述了轴子与氧化镍集体激发的相互作用。轴子转化为单一或双重激发的过程分别提供了窄带和宽带两种搜寻通道。此外,通过调节外部磁场直至相变点,可以覆盖大量尚未探索的参数空间,将探测范围扩展至轴子质量低至几分之一meV的水平。研究结果表明,氧化镍作为多用途目标材料,在轻暗物质搜寻中具有理想的应用前景。本文详细阐述了理论框架、实验设计以及潜在的参数探测范围,强调了氧化镍在暗物质研究中的重要性,为未来的实验提供了理论支持和指导。

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本文研究了配备多光电倍增管(multi-PMT)模块的水切伦科夫探测器在无背景上行中微子探测及方向重建方面的潜力。通过使用基于Transformer的模型分析信号时间轨迹,相较于传统使用较大光电倍增管的设计,本文实现了角分辨率的显著提升。研究表明,该探测器设计能够以约10°的方位角分辨率和7°的天顶角分辨率重建中微子方向,对于高信号事件,整体张角约为10°。这种设计有效减少了饱和效应,并增强了对高能中微子的方向灵敏度。研究结果表明,水切伦科夫探测器阵列作为中微子天文学的补充工具具有重要潜力,特别是在瞬态天体物理源的多信使观测背景下。此外,这些探测器近乎连续的运行能力和宽广的视场进一步增强了其实时监测和警报生成的能力。本文的研究为未来中微子探测技术的发展提供了重要参考,并可能推动中微子天文学与多信使天体物理的结合研究。

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本文研究了在温暴胀场景下通过冻结过程产生的引力波谱以及引力子介导的暗物质生成。作者受到近期研究启发,探讨了仅通过标准模型规范相互作用实现温暴胀的可能性。在这一框架下,研究聚焦于不同耗散项对引力波谱的影响,特别是在高频段的引力波信号特征。通过对比分析不同耗散项,研究发现了引力波谱行为在定性和定量上的显著差异。这些差异为通过高频引力波信号区分不同的暴胀模型和暗物质模型提供了初步路径。研究背景基于温暴胀理论,这是一种考虑辐射与暴胀子相互作用的暴胀模型,相较于传统的冷暴胀模型更符合某些宇宙学观测数据。作者采用数值模拟和理论分析相结合的方法,系统探讨了引力波的产生机制及其与暗物质生成的关联。关键发现包括:不同耗散项导致的引力波谱形状和强度的变化,以及这些变化如何反映暗物质生成的物理过程。研究结论指出,高频引力波信号可能成为未来探测温暴胀和暗物质性质的重要工具,为宇宙学模型的验证提供了新的观测窗口。此外,本文还讨论了引力子作为暗物质候选粒子的可能性及其在冻结过程中的作用,强调了进一步理论和观测研究的必要性。

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本研究聚焦于质量在1-2.5太阳质量范围内的低质量致密双星合并事件的天体物理起源问题。由于中子星双星(BNS)和低质量黑洞双星(LMBH)的合并在螺旋阶段产生的引力波波形几乎相同,且电磁后续观测并非总是可行,因此区分这两种情景成为一大挑战。本文提出了一种方法,通过分析晚期螺旋阶段至合并后阶段的波形差异来区分BNS和LMBH。这种差异在计划中的探测器(如NEMO、Cosmic Explorer和Einstein Telescope)中将具有显著的可检测性,而当前运行的LIGO A+仅对近距离源有效。研究还发现,波形差异在较硬的状态方程下更为明显。此外,本文展示了如何利用引力波观测推断的随红移变化的致密双星合并率,将其分解为BNS和LMBH成分,并考虑了误分类概率。研究预测了对LMBH比例的模型无关的90%排除敏感性。进一步将这些LMBH解释为暗物质捕获诱导的转化黑洞(transmuted black holes),本文将排除敏感性转化为对重非湮灭暗物质的排除界限。研究结果表明,引力波测量不仅能够区分致密天体群体,还能为粒子暗物质相互作用提供新的见解。这一方法为未来的引力波天文学研究提供了重要工具,有助于揭示宇宙中致密双星系统的本质及其与暗物质的潜在联系。

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本文构建并讨论了一种用于描述各向异性反铁磁体在外磁场作用下的低能有效场论(EFT)。该理论虽然简单,但内涵丰富,能够在理论有效范围内解释多种现象,包括有能隙的戈德斯通粒子的出现、伪戈德斯通粒子的形成以及“自旋翻转”相变等。研究背景聚焦于反铁磁材料在外场作用下的复杂行为,这些材料为量子场论中的奇异现象提供了宝贵的测试平台。作者详细探讨了在磁场存在下自由理论的量子化过程,由于单时间导数项的存在,这一过程变得非平凡。此外,本文还明确地将有效场论与短距离理论相匹配,具体针对一种反铁磁体——氧化镍(NiO)进行了分析。氧化镍因其在轻暗物质探测中的潜在应用而备受关注,成为研究的重点对象。作为研究的副产品,作者重新评估了离散对称性在磁性材料中的作用,并以完全符合低能有效场论理念的方式进行了呈现。关键发现包括:通过有效场论可以成功描述反铁磁体在磁场下的动态行为,并揭示了有能隙戈德斯通粒子和伪戈德斯通粒子的物理机制;同时,自旋翻转相变的理论预测与实验现象一致。结论指出,该有效场论为理解各向异性反铁磁体的低能行为提供了强大工具,并为进一步探索量子场论中的奇异现象奠定了基础。本研究不仅在理论物理领域具有重要意义,也为材料科学和暗物质探测等应用研究提供了理论支持。

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本文详细研究了MAPP外侧探测器(MAPP Outrigger Detector, OD)在高亮度大型强子对撞机(HL-LHC)环境下对微电荷粒子(mCPs)的无背景灵敏度预测。作为MAPP实验的首次升级,MAPP OD是一个独立的探测器,旨在提高对具有中等有效电荷的高质量微电荷粒子的探测灵敏度。该探测器计划安装在靠近MAPP-1探测器的管道中,位于LHC的UA83通道与束线之间。研究考虑了通过Drell-Yan机制以及多种介子衰变产生的微电荷粒子。结果表明,在95%的置信水平下,MAPP OD能够在HL-LHC环境下将实验对微电荷粒子的质量上限扩展至约200 GeV。这一结果显著提升了实验对微电荷粒子的探测范围,为探索超出标准模型的新物理提供了重要工具。研究还分析了探测器的设计特点及其在高能物理实验中的潜在应用,强调了其在未来粒子物理研究中的重要性。通过结合理论预测与实验设计,本文为微电荷粒子的探测提供了新的视角,并为后续实验升级和数据分析奠定了基础。

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光电倍增管(PMTs)在 neutrino 和暗物质实验中广泛用于光子计数。然而,当多个光子连续击中 PMT 时,其光电子(PE)脉冲会发生堆叠,导致计数和时间测量的精度下降。本研究提出了一种快速随机匹配追踪(FSMP)方法,通过可逆跳跃马尔可夫链蒙特卡洛(Reversible-Jump Markov-Chain Monte Carlo)策略,将 PMT 信号波形分解为单个 PE 脉冲。研究表明,FSMP 显著提高了基于 PMT 的实验在能量分辨率和时间分辨率方面的性能,并且在 GPU 上实现了计算加速。该方法适用于传统的 dynode PMT,并可扩展至微通道板(MCP)PMT。在实验室对 8 英寸 MCP-PMT 的表征条件下,与传统的波形积分方法相比,FSMP 将能量分辨率提高了高达 10%。此外,FSMP 的计算效率和适应性使其在高精度粒子探测实验中具有广泛的应用前景。本文详细阐述了 FSMP 的算法原理、实现方式以及在实际实验中的性能表现,强调了其在提高探测器性能和数据分析精度方面的潜力,为未来的 neutrino 和暗物质研究提供了重要的技术支持。

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本文提出了一种新的暗物质候选者——'非弹性解耦遗迹'(iELDER),这是一种冷热遗迹,其丰度由其在浴粒子中非弹性散射的冻结过程决定,同时伴随着3到2的自湮灭过程。研究预测这种暗物质的质量较轻,处于MeV到GeV的范围,具有显著的自湮灭特性,并且与普通物质的非弹性耦合非常微弱。作者通过一个具有Z_3对称性的玩具模型以及类似于量子色动力学(QCD)的轻子理论展示了iELDER暗物质的存在。其中,QCD类轻子理论显示出良好的探测前景,为未来的搜索提供了新的基准点。研究背景在于解决暗物质的性质和来源这一粒子物理领域的核心问题,传统的暗物质模型往往难以解释某些观测现象,而iELDER模型通过引入非弹性散射和自湮灭机制,尝试提供一种新的解释框架。主要方法包括理论建模和数值模拟,通过分析冻结过程和耦合强度,探讨暗物质的可能性质。关键发现是iELDER暗物质的质量范围和自湮灭特性使其成为一种独特的候选者,尤其在QCD类理论中表现出可探测性。结论指出,iELDER模型不仅丰富了暗物质理论的多样性,还为实验物理学家提供了新的搜索方向,特别是在轻质量暗物质探测领域具有重要意义。未来研究可进一步验证模型预测,并探索其与其他粒子物理现象的关联。

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本文研究了一种多轴子模型的可探测性,该模型被称为π-轴子宇宙(π-axiverse),并将其与弦理论中的轴子宇宙(string axiverse)区分开来。作为暗物质候选者,该模型包含了由于全局SU(N)味对称性自发破缺而产生的N^2-1个伪Nambu-Goto模式(类似于π介子和K介子状态)。低能理论中包含了N-1个轴子耦合,以及与标准模型光子动能的额外耦合,这种耦合类似于弦理论中的膨胀子-光子耦合。本研究探讨了光子与此类暗物质sector相互作用时的参数共振现象。已知轴子能够形成宏观的孤子状对象(轴子星),由于合并或吸积过程导致的过密度,这些轴子星会表现出不稳定性。不稳定性通过参数共振产生高强度的辐射爆发,这种辐射可能在MeerKAT、平方公里阵列(SKA)以及下一代甚大阵列(ngVLA)等观测台被探测到。研究采用数值方法系统性地探索了π-轴子宇宙的多维参数空间,寻找可探测信号的区域,这些区域通常与单一轴子模型不同。研究识别出MeerKAT、SKA和ngVLA能够分辨此类信号的参数空间区域,并评估了瞬态搜索对该模型约束的潜力。研究结果为理解多轴子-膨胀子暗物质的唯象学和间接探测迈出了重要一步,为未来暗物质探测提供了新的理论支持和观测方向。

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本文研究了非阿贝尔暗扇区中强一阶相变产生的引力波(GW)信号,该相变自然导致矢量暗物质的形成。作者考虑了一类通用模型,其中新的暗规范扇区通过希格斯门户和类矢量费米子门户与标准模型(SM)相互作用,同时也探讨了暗扇区仅通过引力与标准模型相互作用的情景。通过扫描完整的参数空间并分析引力波的产生机制,研究发现,与标准模型隔离且具有过量暗辐射的暗扇区无法产生LISA可观测的引力波背景。值得注意的是,费米子门户在LISA探测范围内产生了独特的引力波信号,峰值频率在1-10 mHz之间,而对于未来的干涉仪如BBO和DECIGO,频率可高达1 Hz。相比之下,希格斯门户的情景频率限制在1 mHz左右。两种框架均能解释观测到的暗物质丰度,并预测在暗矢量玻色子质量接近3-4 TeV(希格斯门户)和10 TeV(费米子门户)时,LISA可探测到信号,同时伴随约10 GeV的暗希格斯粒子。此外,研究还识别出一种独特的六顶夸克最终态,源于成对产生的类矢量费米子,这一信号在高亮度大型强子对撞机(HL-LHC)的探测范围内。其探测将为费米子门户提供确凿证据,确立对撞机、引力波和暗物质信号之间的互补性。本研究为暗物质和引力波探测提供了新的理论视角和实验验证路径。

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本研究在微扰量子色动力学(PQCD)方法框架下,探讨了底重子衰变成轻介子和暗重子ψ的过程,具体分析了Λb→Mψ衰变模式。在B-Mesogenesis场景的Type-I和Type-II模型中,研究者计算了底重子衰变成介子的形状因子,并基于这些结果进一步估算了Λb→Mψ衰变的支化比。研究发现,在两种模型中,PQCD方法计算得到的支化比均达到O(10^{-5)的量级,其中在Type-II模型中,Λb→Kψ衰变的支化比更是高达O(10^{-4)。这些支化比的量级表明,相关预测在LHCb实验和B工厂中具有可测试性,尤其是在精度提升的情况下。本研究为暗物质候选粒子(如暗重子)的产生机制提供了重要的理论支持,同时也为实验物理学家在高能对撞机环境中探测暗物质提供了具体的数值预测和理论依据。研究结果不仅深化了我们对底重子衰变动力学的理解,还为暗物质物理和B-Mesogenesis模型的验证开辟了新的可能性。作者强调,未来的实验数据若能与预测相符,将进一步验证PQCD方法的有效性,并可能揭示暗重子存在的直接证据。

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本研究聚焦于镜像暗物质(Mirror Dark Matter),这是标准模型的一个隐藏扇区对应物,具有相同的粒子内容。镜像暗物质可能通过光子-镜像光子动能混合参数(ε)被探测到。研究团队利用CDEX-10的低能量反冲数据,针对质量范围在10至56 GeV的镜像核暗物质,设定了新的约束条件,得出ε < 2 × 10^{-10}的限制。此外,研究还对CDEX-300(暴露时间为95天)进行了预测分析,结果显示其灵敏度显著提高,在局部镜像晕温度低于0.3 keV的条件下,ε的限制可达到< 3.75 × 10^{-11},这一结果超越了现有LUX实验和正电子衰变实验的约束。研究表明,CDEX-300在探测动能混合参数空间方面具有独特的能力,为镜像暗物质模型提供了严格的限制条件。这些发现不仅深化了我们对镜像暗物质的理解,也为未来的暗物质探测实验提供了重要的参考依据。通过结合先进的探测技术和理论模型,本研究为揭示暗物质的本质迈出了重要一步,同时也突显了CDEX项目在暗物质研究领域的潜力。

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本研究在有效场论框架下探讨了大型强子对撞机(LHC)上重中性轻子(HNLs)的现象学,重点分析了与顶夸克相关的六维算符(d=6 operators)。研究表明,根据算符的选择和HNL的质量,HNLs可以通过质子-质子碰撞与单个顶夸克关联产生,或者通过顶夸克的非标准衰变产生。研究针对长寿命HNLs,评估了LHC高亮度阶段不同探测器对涉及顶夸克和HNLs的多种算符的灵敏度范围。对于某些特定算符,ATLAS探测器以及一些远距离探测器(如MATHUSLA和ANUBIS)能够探测到高达12 TeV和4.5 TeV的新物理尺度,分别覆盖了不同的HNL质量范围。研究背景基于粒子物理中对超出标准模型的新物理现象的探索,HNLs作为潜在的新粒子候选者,可能揭示中微子质量起源及相关机制。主要方法包括利用有效场论描述高能尺度下的新物理效应,并结合LHC的实验数据进行现象学分析。关键发现表明,不同算符的选择显著影响HNLs的产生机制和探测灵敏度,而长寿命HNLs的特性为远距离探测器提供了独特的探测机会。结论指出,通过优化探测策略和算符选择,LHC在高亮度阶段有望显著扩展对新物理尺度的探索范围,为粒子物理领域提供重要线索。

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本研究聚焦于$^{76}$Ge的双贝塔衰变($etaeta$衰变)过程,探索其衰变成$^{76}$Se三种可能的激发态的情况,涉及伴随两个中微子或无中微子(若中微子为马约拉纳粒子)发射的六种衰变模式。迄今为止,这六种衰变模式均未被观测到。MAJORANA DEMONSTRATOR实验旨在通过使用低背景高纯锗探测器阵列研究$^{76}$Ge的$etaeta$衰变。实验积累了98.2 kg-y的同位素暴露量,创下了迄今为止对所有六种衰变模式半衰期的最严格限制。对于$2 uetaeta$衰变成$^{76}$Se的$0^+_1$态,本研究首次开始探索基于现代多体核理论技术预测的半衰期值,设定了半衰期下限为$T_{1/2}>1.5 imes10^{24}$年(90%置信水平)。这一结果不仅显著提高了对双贝塔衰变过程的探测灵敏度,也为验证中微子是否为马约拉纳粒子提供了重要实验依据。研究通过高精度测量和低背景技术,展现了在核物理领域中对稀有衰变过程探索的前沿进展。此外,本研究的结果对核结构理论的进一步发展和中微子性质的理解具有重要意义,为未来更大规模实验(如LEGEND项目)奠定了基础。

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本研究基于Majorana Demonstrator实验,旨在探索无中微子双贝塔衰变(0νββ)在^{76}Ge中的表现。该实验位于南达科他州桑福德地下研究设施,采用模块化高纯锗探测器阵列,置于屏蔽真空低温恒温器内,并在深地下运行。探测器阵列总容量达40.4 kg,其中27.2 kg富集至约88%的^{76}Ge。实验积累了完整的64.5 kg·yr富集活性暴露数据和27.4 kg·yr天然探测器暴露数据。本研究更新了对锗同位素中三核子衰变模式的部分寿命限制,具体为^{76}Ge(ppp) → ^{73}Cu e^+π^+π^+的部分寿命限制达到1.83×10^{26}年(90%置信水平),以及^{76}Ge(ppn) → ^{73}Zn e^+π^+的部分寿命限制。此外,对于^{76}Ge完全包容的三质子衰变模式的部分寿命限制为2.1×10^{25}年。同时,研究还更新了相应多核子衰变模式的限制值。这些结果显著提高了对罕见多核子衰变过程的探测灵敏度,为核物理中超出标准模型的物理现象提供了重要的实验约束。研究不仅深化了对^{76}Ge衰变特性的理解,也为未来无中微子双贝塔衰变实验的设计和理论模型的发展奠定了基础。

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[基于标题推测] 本论文可能探讨了暗物质研究中的一个重要方向,即轻子味违背(lepton flavor violation, LFV)情景。通过分析天体物理光子和正电子的观测数据,研究者可能试图揭示暗物质与轻子味违背机制之间的潜在联系。论文可能涉及暗物质粒子在特定模型下的衰变或湮灭过程如何产生可观测的光子和正电子信号,并利用这些信号来验证或限制某些理论模型。此外,研究可能结合了天文观测数据和粒子物理理论,探讨暗物质在宇宙学背景下的行为及其对标准模型扩展的启示。这项研究或为理解暗物质的本质及其与已知粒子的相互作用提供了新的视角,具有一定的理论和观测意义。

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单重态-双重态模型是一种简洁的弱相互作用暗物质模型。本研究在暗物质直接探测限制得到改进的背景下重新审视了该模型。研究详细描述了剩余参数空间中直接探测截面被抑制的明确区域,并讨论了大型强子对撞机(LHC)可探及的光谱特征。研究发现,在某些特定参数区域内,由于直接探测截面的显著抑制,模型能够逃逸当前的实验限制,同时仍可能在LHC上通过特定的信号特征被探测到。此外,本文还探讨了如何通过重整化群演化,从通用的紫外初始条件出发,实现这些特殊参数区域的可能性。研究分析了模型参数在高能尺度下的演化行为,揭示了某些参数配置可能自然地导致低能尺度下的探测特征被抑制的原因。这种分析为理解模型在更广泛的理论框架中的适用性提供了重要见解。最终,本研究总结了单重态-双重态模型在当前和未来实验中的可验证性,强调了其作为暗物质候选模型的潜力,同时指出了进一步理论和实验研究的必要性,以更全面地检验模型的物理意义。