欧洲核子研究中心 (CERN) 大型强子对撞机 (LHC) 上的ATLAS国际合作实验组近日在《Science Bulletin》[1]和《Journal of High Energy Physics》[2]上分别发表了暗物质与暗光子联合统计测量的最新结果，为高能对撞机实验中双希格斯二重态伴随赝标媒介粒子理论 (2HDM+a) 框架下的暗物质探测以及希格斯的暗光子衰变过程探测给出了目前国际上最好的实验限制，同时也是通过上帝粒子希格斯探索暗物质之谜的重要进展。本次成果是ATLAS国际合作组（~40个国家，180个研究机构，6000名国际成员）首次于中国创办的多学科高影响力国际期刊《Science Bulletin》发表论文，对于彰显中国团队参与国际合作的学术影响力与认可度具有重要标志性意义。
探索暗物质之谜是当代基础物理学研究中的重大前沿科学问题。以LHC为代表的的高能对撞机实验通过将粒子加速到接近光速的极端能标条件，基于超越标准模型的新物理理论预言，开展暗物质候选粒子产生与探测的实验现象研究。相较于传统的深地暗物质直接探测实验和深空暗物质间接探测实验【图1】，高能对撞机实验涉及到暗物质候选粒子产生机制的相关物理过程较为丰富，具有着高统计量、多末态、广参数空间的显著特点，且对于中低质量区的暗物质探测尤为敏感，可与CDEX/PandaX等深地暗物质直接探测实验形成优势互补，在更加广阔的质量区探索暗物质之谜可能的解答。
图1：各类暗物质探测实验中的物理机制概览（左），LHC-ATLAS实验中暗物质以丢失能动量形式产生和探测的机制示意图（右）
在此次发表的2HDM+a暗物质综述与联合统计测量研究成果中[1]，ATLAS国际合作组采用了Run-2阶段质子-质子对撞完整数据集（约139 fb-1数据量），通过“双希格斯二重态伴随赝标媒介粒子”理论框架 (2HDM+a) 所预言的丰富物理过程，对于LHC上的暗物质寻找研究成果做了系统的总结，并针对其中最为灵敏且互补的三个实验分析道：ETmiss+Z(ll)、ETmiss+H(bb)与tbH±(tb)开展联合统计分析与合并，获得了2HDM+a理论框架下相关暗物质新物理参数空间最为严格的实验限制【图2】。2HDM+a理论框架是LHC实验中暗物质探测的主流理论模型，预言了五种希格斯粒子（一对CP为偶的希格斯粒子H与h，一个CP为奇的赝标希格斯粒子A，一对带电荷希格斯粒子H±）与一个可以和暗物质粒子之间发生耦合的额外赝标量媒介粒子（a）的存在，通过对于粒子物理标准模型的紫外完备化最小扩展（UV-complete minimal extension）来实现暗物质与上帝粒子希格斯之间的联系。论文成果中呈现了近20个不同的分析道，既有传统意义上包含暗物质产生的“丢失能量”分析道，也包含了带电荷希格斯及四顶夸克过程等无暗物质直接产生但与2HDM+a理论框架直接相关的新颖分析道，在六个不同的理论基准场景（Scenario）下给出参数空间的实验限制，使其成为了LHC-ATLAS实验迄今为止所发表的分析规模最大、综合性最强的暗物质探测实验成果之一。
图2：基于2HDM+a的ATLAS暗物质联合统计测量结果与理论参数排除限综述图像[1]
相比于深地暗物质直接探测实验，高能对撞机实验在200GeV以下的中低质量区具有独特优势，同时对于高质量区可以通过四顶夸克和带电荷希格斯等非暗物质产生过程来保持探测灵敏度优势【图3】，体现了高能对撞机实验中暗物质探测渠道“多样性”的重要特色。
图3：ATLAS实验中不同实验分析道的2HDM+a实测截面与理论截面比例上限（左）[1]以及与PandaX暗物质直接探测的实验结果对比（右）[3]
此外，作为高能对撞机实验中“希格斯通道”探测暗物质的另一重要研究方向，ATLAS国际合作组通过希格斯玻色子的“半可见”衰变过程：希格斯衰变为光子与“暗光子”，开展了深入研究，并综合利用胶子-胶子融合希格斯暗光子产生过程（gluon-gluon fusion H→γγd）、矢量玻色子融合希格斯暗光子产生过程（VBF H→γγd）、Z玻色子伴随希格斯暗光子产生过程（ZH→γγd）开展了相应的联合统计分析与统计合并【图4】，获得了标准模型希格斯H→γγd分支比（1.3%）目前世界上最好的实验限制，以及重质量希格斯HBSM→γγd目前世界上最高的质量排除限（3TeV）[2]。该成果不仅是暗物质媒介粒子暗光子本身的重要研究进展，同时对于进一步探索小尺度结构形成机制问题（small-scale structure formation problem）[4]、PAMELA-Fermi-AMS2反常实验现象[5]、轻暗物质湮灭产率与非对称暗物质唯像学困难[6]等前沿基础科学问题具有重要参考意义。
图4：标准模型希格斯H→γγd过程分支比上限的联合统计分析结果（左）与超越标准模型的重质量希格斯HBSM→γγd的排除限联合统计分析结果（右）[2]
上海交通大学李政道研究所和物理与天文学院的相关研究团队成员：博士生刘齐斌、博士后李昌樵、“李政道博士后”Vu Ngoc Khan、长聘学者李数，与中国科学技术大学、中国科学院高能物理研究所等国内兄弟单位，及密歇根大学、威斯康星大学等国际同行单位紧密合作，为该重要成果作出突出贡献：
在2HDM+a暗物质联合统计测量工作中[1]，李昌樵（交大在站期间完成论文工作，现为德国马克斯-普朗克物理研究所博士后）担任了该文章物理分析负责人（Analysis Contact），Vu Ngoc Khanh做了该文章的合作组批准报告（Paper Approval Talk），刘齐斌（导师：李数）对物理结果的统计合并与分析做出重要贡献。密歇根大学博士后王子瑞（交大2019届博士，导师：杨海军）担任了ATLAS暗物质物理项目组负责人（Convener）并直接负责组织暗物质联合统计测量工作的开展。
在希格斯暗光子联合统计测量工作中[2]，Vu Ngoc Khanh担任了该文章物理分析负责人（Analysis Contact），刘齐斌做了该文章的物理分析批准报告（Analysis Approval Talk），为重质量与标准模型希格斯的暗光子衰变统计合并工作做出重要贡献。
致谢：相关工作受到了国家自然科学基金委国际合作交流项目和科技部国家重点研发计划项目的资助，及粒子天体物理和宇宙学教育部重点实验室、上海市粒子物理和宇宙学重点实验室的大力支持，在此深表感谢。
参考文献
[1] Combination and summary of ATLAS dark matter searches interpreted in a 2HDM with a pseudo-scalar mediator using 139 fb-1 of √s = 13 TeV pp collision data. Science Bulletin 2024, 69(19): 3005-3035, doi:10.1016/j.scib.2024.06.003
[2] Combination of searches for Higgs boson decays into a photon and a massless dark photon using pp collisions at √s = 13 TeV with the ATLAS detector. JHEP 08 (2024) 153, doi:10.1007/JHEP08(2024)153
[3] 科普 | 暗物质与希格斯机制.
[4] Dark-Disk Universe. Phys. Rev. Lett. 110 (2013) 211302, doi:10.1103/PhysRevLett.110.211302
[5] A theory of dark matter. Phys. Rev. D 79 (2009) 015014, doi:10.1103/PhysRevD.79.015014
[6] Asymmetric Dark Matter: Theories, signatures, and constraints. Phys. Rept. 537 (2014) 91-121, doi:10.1016/j.physrep.2013.12.001
论文原文
Science Bulletin：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927324003992?via%3Dihub
Journal of High Energy Physics：https://link.springer.com/article/10.1007/JHEP08(2024)153
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文稿 | 李 数
编辑 | 孟闻卓
