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本论文主要分为三个部分。第一部分部分主要介绍了暗物质的各种理论模型以及暗物质试验探测的内容。作为本文的重点,在第二部分和第三部分我们重点探讨了最小标量暗物质模型与非标准模型重费米子暗物质方案的内容。
在最小标量暗物质模型的部分,我们介绍了最小标量暗物质模型的理论架构,试验探测相关的内容以及最小标量暗物质与希格斯粒子探测的关系。首先,我们介绍了理论的真空稳定性和自发破缺模式,以及最小标量暗物质丰度的推导过程及数值计算结果。然后,我们介绍了暗物质的直接探测试验与间接探测试验对最小标量暗物质参数的约束。在与关希格斯粒子探测有关的最后部分,我们讨论了希格斯粒子到单态标量暗物质粒子的隐形衰变对希格斯粒子探测的影响。我们总结了最小标准暗物质模型的规律并指出其不足之处。
在本文的第三部分,我们在许多暗物质工作的基础上,提出了自己的非标准模型重费米子暗物质方案。在本方案里,我们引入了四个新的粒子。其中包括作为暗物质候选粒子的重费米子场xR,是Majorana费米子,质量标度是几百个GeV。为了保证理论的规范对称性,一个新的波色子规范场Xμ也被引入进来。同时,为了在保证规范对称性不变的情况下赋予该重费米子场质量,我们引入了复标量场φ,该标量场的对称性可以自发破缺,通过与希格斯机制非常类似的方式赋予xR费米子场质量。这个复标量场也与希格斯场存在耦合,但他们之间的耦合非常小,在某些场合可以认为是0。在标准模型之外我们新引入的粒子还有右手中微子vR,它与活跃中微子通过与φ场的耦合获得一个微小的质量,用独创的方式解释了中微子质量如此小的原因。对称性方面,在标准模型的基础上,我们引入了(U(1))x对称性。依据上面的框架,我们构造了满足对称性和可重整性的拉氏量。然后,我们探讨了理论的真空稳定性与自发破缺模式。我们详细分析了理论相互作用形式,证明了xR费米子场的稳定性,这种稳定性是作为暗物质候选者必须的要求。然后,我们分析计算了xR费米子场的各湮灭通道,得到了其丰度表达式。依据这些表达式,我们分析了xR费米子场丰度对各参数的依赖关系,利用软件计算得到了丰度的数值结果曲线。数值计算的结果证明了在满足某些参数取值的情况下,xR重费米子完全可以担当暗物质的角色。数值结果曲线鲜明地反映丰度对各参数的具体依赖关系,我们对此进行了详细的讨论。最后,我们简要的探讨了非标准模型重费米子暗物质方案在试验探测中的情况,并对其与希格斯粒子探测之间的关系进行了简单的定性分析。