物理学院朱守华教授课题组提出一种新的催化机制，用来解释宇宙中暗物质的丰度，为暗物质的理论探索提供了新思想，也为暗物质的实验探测提供了新的候选目标。相关研究成果以“暗物质通过催化湮灭脱耦”（Dark matter freeze-out via catalyzed annihilation）为题，2021年8月6日发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。
暗物质，顾名思义，就是宇宙中不会与光产生很强相互作用的“暗”的物质。通常认为，较难利用电磁波的观测手段发现暗物质的踪迹。另一方面，暗物质会参与引力相互作用；当暗物质大量聚集时，它们之间强烈的引力效应会对周围的发光物质产生影响（如星体的运动、物质的分布等）。科学家通过对这些引力效应进行观测，已经基本确认暗物质的存在。事实上，暗物质不仅存在，而且大量存在并广泛分布。根据宇宙学各种观测，人们推断，宇宙中暗物质的丰度（即含量）是生活中常见的普通物质（如质子、中子等）的五倍多。科学家对普通物质已经有了深入而具体的研究和理解，但是对这个五倍大的新的“暗”世界几乎还一无所知。暗物质是当今理论物理学最大的谜题之一。
当前，人们对暗物质最重要的认识就是其在宇宙中的丰度。为了对暗物质约占宇宙中能量的27%给出解释，首先需要了解暗物质在宇宙早期是如何演化的以及暗物质所参与的相互作用。科学家最早提出的猜想是所谓弱相互作用大质量粒子（weakly interacting massive particles, WIMPs）；在这一框架下，暗物质以粒子形式存在，并且可以与普通物质发生相对较弱的相互作用，其质量约为100GeV（即质子质量的100倍左右）。大量的暗物质探测实验随之被提出和实施，然而迄今为止，人们尚未在实验中发现暗物质的踪影，由此也给弱作用大质量粒子带来严峻的挑战。
北京大学物理学院理论物理研究所、核物理与核技术国家重点实验室朱守华课题组长期关注超出标准模型新物理的研究，近日提出一种新的催化机制，用来解释宇宙中暗物质的丰度，为暗物质的理论探索提供了新思想，也为暗物质的实验探测提供了新的候选目标。他们的研究发现，引入新的催化机制后，尽管暗物质与普通物质之间的相互作用比原来设想的弱得多，仍然能够得到正确的暗物质丰度。在这样的猜想中，暗物质的早期演化主要依赖于它们与催化剂之间的相互作用，而不是与普通物质之间的相互作用。具体而言，暗物质与催化剂之间需要有如下两种作用方式：（1）两个暗物质粒子湮灭到两个催化剂粒子；（2）三个催化剂粒子湮灭到两个暗物质粒子；也就是说，三个过程（1）搭配两个过程（2）就等效于六个暗物质粒子湮灭到四个暗物质粒子（见下图），从而实现暗物质粒子数的变化，并最终演化为所观测到的丰度。这一新机制适用于质量为1MeV～100TeV的暗物质，伴随着独特的现象学，未来进一步的实验观测将有助于鉴别其合理与否。
暗物质粒子湮灭过程示意图（蓝色表示暗物质粒子，红色表示催化剂粒子）
相关研究成果以“暗物质通过催化湮灭脱耦”（Dark matter freeze-out via catalyzed annihilation）为题，2021年8月6日发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）；物理学院2017级博士研究生邢传阳为第一作者，朱守华和邢传阳为共同通讯作者。
上述研究工作得到国家自然科学基金，以及北京大学高能物理研究中心、量子物质科学协同创新中心支持。
论文原文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.061101
