中国科学家成功阐释W玻色子超重现象，可直接预测暗物质的质量范围，对寻找暗物质粒子具有指导意义

“我们发现了暗物质以及带电希格斯粒子可能存在的质量范围，即暗物质质量只能是质子的 57-74 倍。 并且，带电希格斯粒子必须小于 600 倍质子的重量！最重要的是，预测出的暗物质质量与湮灭大小，完美重现了银心超与质子超所需要的大小！因此，我们决定投稿理论物理领域最有影响力的期刊——也就是《物理评论快报》，很顺利地就被接收了。”在描述课题组的新成果时，中科院紫金山天文台与南京师范大学（下称南师）组成的联合团队，言辞之 间流露着激动。

该论文最重要的一个结论就是未来观测的可期待性。如果 W 超重这件事情被证实，预估在不远的将来（大约 2035 年左右），人们极可能找到惰性希格斯暗物质粒子。

如下图，暗物质可能的湮灭机率大概比质子-反质子湮灭机率小了十个数量级，暗物质质量大小介在质子的 57-74 倍。其中绿色区域可能会在高亮度大型强子对撞机中被发现，蓝色区间则可能会在暗物质直接探测的地底实验室里被探测。

最乐观的看法是，暗物质其实已经在银河中心的伽马射线或者宇宙线中的反质子观测数据中出现了，只是我们缺乏足够的知识去辨识天文背景和暗物质信号。

如果利用目前的旧办法来区分天文宇宙线可能还不够，幸好未来有许多即将上马的多信使多频段天文观测仪器，这将帮助我们把天文背景校正得更合适。

图 | 可能的暗物质质量（x 轴）跟湮灭机率（y 轴）地图。其中质子大约重 1GeV，质子与反质子的湮灭机率大概比暗物质的湮灭机率大 10 个数量级，比中微子-质子的反应机率 小三个数量级。（来源：《物理评论快报》）

据介绍，宇宙中有大约 30% 是由物质组成，其中一般物质大概占了 5%，而暗物质占了 27% 左右。要了解这宇宙的本质，首先要先弄明白暗物质是何物？

但是，目前人们并没有观测到暗物质跟一般物质间有相互作用力。换句话说，但凡观测到有新的粒子，或者超出粒子标准模型的理论预测的现象，就可能意味着暗物质粒子即将现身。

而在 2022 年初，美国费米国家加速器实验室（Fermilab）的对撞机探测器（CDF，Collider Detector at Fermilab）实验组公布了一则惊讶的消息 ，他们使用 2002 年至 2011 年间收集到的质子反质子对撞产生的 W 数据，对 W 玻色子质量进行了精确测量。

令人意外的是，新的结果虽然改善了误差，但也揭示了实验观测结果与标准模型理论预言的结果极大不一致，CDF 实验组测到 W 质量比标准模型预测的结果还要重千分之一。

同时，也因为”只差”千分之一，所以标准模型的理论框架大概率不会有错，需要担心的应该是来自其他超出标准模型的新粒子所造成的量子修正贡献。因此，合作团队怀疑：过重的 W 是由暗物质的量子效应所引起的。

另一方面，标准模型所预测的希格斯粒子已于 2012 年由欧洲大强子对撞机（LHC，Large Hadron Collider）发现，然而究竟希格斯粒子只有一种还是存在一种以上？可惜当前的观测数据无法解答。

如果存在别种希格斯粒子，是否就是暗物质呢？抱着这样的期待，合作组尝试利用惰性希格斯粒子来当作暗物质候选，并利用它来解释过重的 W 玻色子。

基于惰性希格斯暗物质的假设，研究人员发现过重的 W 玻色子可能暗指着：不远的将来，人们极可能找到暗物质粒子。如果不是在高亮度 LHC 中，就是会在地底暗物质实验室里现身。要不然的话，我们其实已经在银河中心的伽马射线或者宇宙线中的反质子观测数据中看到过，只是还没有足够能力辨识他们。

之前，人们认为带电希格斯粒子愈重愈好，因为愈重的粒子，它的量子效应愈小，愈能说明目前没有仪器找到新粒子的窘境。而此次研究结果，跟此前经验的最大不同是：如下图，暗物质质量只能是质子的 57-74 倍，并且最重的带电希格斯必须小于 600 倍左右质子的重量，这颠覆了过去对带电希格斯粒子的观念。

图 | 暗物质质量（x 轴）跟带电希格斯粒子质量（y 轴）可能发现的质量范围。其中单位 1GeV 可视为”一个质子”重量。灰色区间是根据 2020 年的 W 玻色子以及其相关的测量来绘制，而红蓝绿三色区间乃是考虑了 CDF 的测量数据。这三种颜色乃是根据暗物质在早期宇宙的湮灭行为跟未来探测能 力所做的分类（来源：《物理评论快报》）

近日，相关论文以《惰性希格斯暗物质解释 CDF II W 玻色子质量及其探测前景》（）为题发 表在《物理评论快报》上[1]， 四位作者分别为紫台副台长&研究员、紫台研究员、南师物理科学与技术学院副院长教授、以及紫台博士研究生唐天鹏。

图 | 相关论文（来源：Physical Review Letters）

评审专家认为，相比其他合作组尝试解释 W 质量超重，该工作更容易让人接受。他认为，这一研究不仅仅利用一个普适性且富有动机的理论框架解释 W 玻色子超重问题，还聚焦于预测人们对于暗物质未来的探测能力。虽然 CDF 的论文发表后有些合作组也研究该粒子物理的框架模型，但相比于本次论文的解释却是不够原创性与有趣。

图 | 左起（1）：研究员、博士生导师、紫金山天文台副台长。长期从事暗物质间接探测、引力波天文、高能天体物理的研究。左（2）：南京师范大学教授、博士生导师、物理科学与技术学院副院长。研究领域为粒子物理理论（暗物质、超对称物理、Higgs 物理、Top 夸克物理）左（3）唐天鹏：紫金山天文台博士研究生。研究方向主要包括粒子暗物质唯象学、暗物质天文学。左（4）：紫金山天文台研究员、博士生导师。主要从事暗物质物理研究，研究兴趣为粒子暗物质、暗物质天文学、暗物质宇宙学 三大方面。（来源：资料图）

检视银心超与反质子超

据介绍，在紫台负责暗物质粒子间接探测的相关研究团组（后称紫台暗物质组），一直聚焦于找寻暗物质粒子特性的证据。

是该小组的首席科学家，也是本次论文的作者之一，其于 2015 年带领团队证实了银心处的伽马射线超出（后称“银心超”）的普遍性，而这似乎可以被暗物质湮灭信号解释。如果能找到其他佐证，则会更加具备说服力。

因此，在一系列工作中，带领团队聚焦于这一可能性，并在 2017 年与此次论文的另一位作者、以及其他紫台同事，利用贝叶斯来分析阿尔法磁谱仪的反质子能谱。

相当有趣的是，他们找到了不符合预期的反质子流量超出（后称“反质子超”），并且发现这个超出跟银心伽马超可能都源自于暗物质湮灭，这让大家备受鼓舞。

坚信，这样的可能性应该可以被地面实验所验证，比如暗物质地底实验或其他找寻对撞机里找新粒子的实验。

2021 年初，加入紫台之后，与同是此次论文作者的进行了数次合作与讨论，尤其针对地面暗物质粒子实验的未来性与测量方向进行了详细探讨，期间也借此进一步培养了研究生唐天鹏。

此后，研究小组一直寻求地面粒子实验的暗物质信号，并实现了银心超与反质子超的自洽性解释。直到 2022 年初，CDF 组公布超重的 W 质量后，该团队意 识到这说不定是个检视银心超与反质子超的独立机会。

课题组的策略很简单：假设并不知道银心超与反质子超这两个超出，那么利用暗物质的残余丰度测量，并结合粒子物理与暗物质直接探测的限制，并要求对 W 质量能产生足够大小的量子修正。

整个计算工作大约历经一个多月，期间少不了计算程序出错、数次推翻之前计算结果、以及计算资源不够用转而求助其他同事等。

近乎哲学般的拷问

而论文在发表之前，也经历了严苛的审稿过程。该团队表示，在被《物理评论快报》接受之前，在高能物理界的学术著作里，尤其是寻找新物理是否存在的论文，往往面临着极为严苛且挑剔的审视。

部分高能物理科学家甚至终其一生可能只在《物理评论快报》发表数篇。因此，在该期刊的审稿中，针对高能物理领域的某些审稿意见往往颇具争议。

“比如我们这次收到的审稿意见中就有这么一条：作者的暗物质模型并不能‘直接预测’W 玻色子的质量，只是利用过重 W 的实验数据来预测暗物质。”研究人员表示。

这是一个近乎哲学般的拷问，也体现出高能物理界对所谓完美模型的苛求——终极理论必 然可以预测一切。

换句话说，”X 模型”不包含其它会对 W 质量做量子修正的新粒子，因为引进任何一个新粒子将引进数个无法决定的新变数。逻辑上，只要有尚未决定的变数就不能说是”直接预测”。

另一方面，在 CDF 公布观测结果之前，”X 模型”就该预测 W 玻色子的质量不符合标准模型。这样的推理是基于对”直接预测”这四个字的定义，也归咎于 CDF 数据的特殊性：实验数据跟标准模型理论计算不一致。

可惜，就该团队所知：其一，这种具有辨识度的模型，历史上并没有；其二，如果暗物质物理跟新物理脱钩，这跟他们的期待刚好背道而驰，人们普遍期待的是下一个发现的新粒子将能打开暗世界的大门。

虽然此次模型包含了不同的 W 玻色子的质量，但过重 W 却可以直接预测暗物质的质量范围，这样的看法也得到了期刊主编和第三位审稿员的认同。

同时，因为过重的 W 暗示着暗物质的质量介在 57-74 个质子重，课题组将就这个暗物质质量范围扩大找寻可能的信号，目前反质子超与银心超困于无法精确分辨天文背景，如果要确认暗物质的存在，就得扩大寻找其他可能的暗物质信号，比如暗物质在早期宇宙中或者天体中是否产生足够可观察的信号？另一方面，欧洲大强子对撞机 LHC 将会针对 W 玻色子进行精确测量，该团队也将高度关注这部分的发展。

参考资料：

1.Yi-Zhong Fan, Tian-Peng Tang, Yue-Lin Sming Tsai, and Lei Wu Phys. Rev. Lett. 129, 091802 – Published 24 August 2022