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暗物质是宇宙中物质的重要组成部分,占据物质组成超过80%,但是对于暗物质的性质,我们却知之甚少。已知暗物质与标准模型粒子相互作用很弱,稳定或者寿命在宇宙尺度上。尽管粒子物理标准模型在20世纪取得了空前的成功,但是标准模型并没有给出合适的暗物质候选者。因此理论物理学家尝试对粒子物理标准模型扩展,使得模型可以自然提供暗物质候选者。WIMP是一类非常重要的暗物质候选者,如果WIMP在电弱能标附近,可以自然的给出合适的暗物质剩余丰度。近期PAMELA,Fermi-LAT,ATIC,AMS-02等实验都观测到正电子组份在10-350GeV能量范围存在超出现象。正电子的超出可以用WIMP湮灭或者衰变解释。对实验结果的分析说明,解释正电子超出需要的WlMP湮灭截面大于产生观测到暗物质剩余丰度的湮灭截面。如果正电子超出是由WIMP湮灭产生的,理论上需要引入WlMP湮灭截面的增强机制。
暗物质湮灭可能产生标准模型粒子,不同末态对应的截面与能谱均不相同。这些暗物质湮灭产物在宇宙中传播,相互作用,最终被实验观测到,其中信号的变化包含了丰富的物理。对于探测光子的实验,我们讨论了逆康普顿效应和同步辐射产生的光子。对于带电宇宙线,我们讨论了带点宇宙线的传播方程,介绍了能量损失项与扩散项。这些传播过程中的效应对于理解实验结果以及其中的不确定性是十分重要的。本文的第二章对这些物理机制做了一般性的介绍。
第三章讨论了暗物质的热产生机制,我们提出当暗物质是多种组分,并且多个暗物质组分之间存在相互作用时,暗物质热产生的动力学有所改变。我们一般的讨论了这种模型下的动力学演化方程。在暗物质之间相互转化截面比较大时,在暗物质与标准模型粒子退耦之后,暗物质不同组分之间仍能维持热平衡而继续转化。宇宙的进一步冷却使得暗物质不同组分之间退耦。在这种机制下,暗物质剩余丰度的计算发生改变,与标准暗物质热退耦机制对应的湮灭截面相比,增强因子可以自然出现。当暗物质之间质量近似简并,并且暗物质之间转化截面大于暗物质湮灭的截面时,对应的增强因子可以达到(0)(10)-(0)(1000)。因此多组分相互作用暗物质可能作为暗物质正电子超出的一个解释。
第四章讨论索末菲效应作为增强因子机制的可能性。我们模型无关的讨论了传递相互作用粒子分别为矢量,标量,赝标量对应的s-波,p-波索末菲效应的性质。当考虑暗物质剩余丰度的限制时,我们将暗物质总湮灭截面分成两部分,第一部分为一般的s-波湮灭产生轻子的过程,第二部分为暗物质湮灭到传递相互作用粒子的过程。在计算剩余丰度的过程中我们包含了在暗物质退耦时的索莫非效应。在满足暗物质剩余丰度的条件下,我们可以得到对于三种传递相互作用粒子允许的增强因子的大小。对于矢量传递相互作用粒子,允许的增强因子是(0)(10)-(0)(100)。对于标量传播相互作用粒子,在WIMP质量范围是100-800GeV时,相比矢量粒子的情形,允许的增强因子更大,而在更大的质量范围,允许的增强因子与矢量粒子基本相同。对于赝标量粒子的情形,由于赝标量粒子对应的相互作用势能是奇异势能,相互作用力程更短,在短距离时相互作用更强,我们发现在某些参数条件下,索莫非因子可以非常大,并有很强的温度依赖关系。这种情形对应于准束缚态的形成。我们得出在参数满足形成准束缚态的情形下,考虑暗物质剩余丰度的限制,允许的增强因子(0)(10)-(0)(1000)。因此正电子的超出问题和增强因子问题也可能通过索莫非机制来理解。