暗物质衰变/湮灭解释AMS-2正电子比率超出

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暗物质的存在是现代宇宙学研究的重要发现。从1933年加州理工大学的瑞士天文学家弗里茨兹威基发现暗物质的首个观测证据距今已经八十多年了,关于暗物质存在的观测证据也已经十分充分。然而除了其引力效应,关于暗物质的其他性质我们了解的却十分有限。对于暗物质粒子的具体构成以及存在形态,物理学家提出了许多理论模型和理论上的候选者,然而对于这些模型却没有十分明确的实验证实,因此通过实验验证或证实这些模型的合理性和自洽性是现在暗物质研究的主要方向之一。理论物理学家提出了许多超出标准模型的新物理理论,给出了许多暗物质候选粒子,这些暗物质粒子会通过弱相互作用衰变或湮灭,产生高能正负电子对、高能gamma射线、质子或反质子流等可观测的宇宙线粒子。最近的天文观测例如ATIC、PAMELA、Fermi等均观测到了宇宙线正负电子能谱在高能端相对于传统的天体物理源预测值超出的现象,更高精度的AMS-2的观测结果也显示出这种超出。对于这部分超出,暗物质粒子衰变/湮灭产生高能正负电子是非常有吸引力的解释。本文讨论了暗物质粒子通过弱相互作用衰变/湮灭产生末态正负电子过程及其作为正负电子源对宇宙线正负电子能谱的影响,进而讨论了通过宇宙线观测数据分离出可能的暗物质湮灭/衰变信号来间接探测暗物质粒子的方法。本文具体分析了用暗物质衰变/湮灭产生的正负电子对来解释最近实验观测到的宇宙线正电子比率超出现象,并给出了这种解释对暗物质模型参数的限制。文章第一部分为引言,第二章概述了现代宇宙学的基础,即大爆炸宇宙学,讨论了暗物质在早期宇宙演化时期的作用。第三章介绍了关于暗物质研究的现状,包括暗物质存在的若干观测证据、暗物质的基本性质、主流暗物质模型暗物质简介和暗物质的空间分布、物质粒子实验探测的研究现状和最新进展。第四章为本文的主要部分,讨论了从宇宙射线的角度间接探测暗物质粒子。在这部分中我们首先概述了关于宇宙射线的基础知识、粒子在宇宙中的传播方程和GALPROP程序模拟宇宙射线线传播,然后分析了暗物质粒子衰变/湮灭产生高能正/负电子作为宇宙线正/负电子源的过程和这部分源的特征。本文没有采用GALPROP程序来计算高能正负电子传播过程,而是通过近似方法求解传播方程来计算观测结果中暗物质产生的正负电子能谱,并给出了与此过程相关的参数集合。文章最后分析了AMS-2(阿尔法磁谱仪)最近公布的正负电子能谱观测数据和观测到的宇宙线正电子比率在高能部分相对于天体物理源的超出和超出部分的暗物质衰变/湮灭模型解释,并通过分析这部分超出,应用数值计算方法拟合出了暗物质衰变/湮灭产生正/负电子过程的模型参数,并对这种解释和对应的暗物质模型作了合理性分析。
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