2HDM+a框架内ATLAS暗物质搜索的结合与总结

1930年代，瑞士天文学家弗里茨·兹维基观察到后发座星系团中星系的运动速度过高，仅靠发光物质的引力无法维持，他提出星系团中可能存在某种不发光的物质，他称之为暗物质。这一发现标志着人类对暗物质的认识和研究的开始。

如今，对宇宙中暗物质最精确的测量来自于对宇宙微波背景的观测，普朗克卫星的最新结果表明，我们宇宙中大约5%的质量来自可见物质(主要是重子物质)，约27%来自暗物质，其余来自暗能量。

尽管大量天文观测证实了暗物质的存在，但我们对暗物质粒子的性质了解甚少。从微观角度来看，20世纪中期建立的粒子物理学标准模型取得了巨大成功，并得到了无数实验的证实。

然而，标准模型无法解释宇宙中暗物质的存在，这表明需要超越标准模型的新物理学来解释暗物质候选粒子，并且迫切需要找到这些候选粒子的实验证据。

因此，暗物质研究不仅是天文学的热点问题，也是粒子物理研究的前沿。利用对撞机寻找暗物质粒子是探测暗物质与常规物质相互作用的三大实验手段之一，与地下直接探测实验、空间间接探测实验等暗物质探测实验相得益彰。

最近，ATLAS合作小组利用LHC第二次运行期间积累的139fb-1质子-质子碰撞数据，在2HDM+a暗物质理论框架内搜索暗物质。搜索利用了各种暗物质产生过程和实验特征，包括传统暗物质模型中未考虑的一些特征。

为了进一步提高暗物质搜索的灵敏度，这项工作在统计上结合了三个最敏感的实验特征：涉及Z玻色子衰变为轻子且缺失大量横向动量的过程，涉及希格斯玻色子衰变为底夸克且缺失大量横向动量的过程，以及涉及带电希格斯玻色子的顶夸克和底夸克终态的过程。

这是ATLAS首次对包括暗物质粒子和直接衰变为标准模型粒子的中间态的终态进行联合统计分析，这一创新显著增强了对模型参数空间的约束和对新物理的灵敏度。

“这项工作是LHC寻找新物理的最大项目之一，涉及近20个不同的分析通道。不同分析通道对约束新物理参数空间的互补性凸显了对撞机实验的独特优势。”密歇根大学博士后研究员王子瑞说。

这项工作为2HDM+a理论框架内的多个新基准参数模型提供了强有力的实验约束，包括一些以前实验从未探索过的参数空间。这是ATLAS合作对2HDM+a暗物质模型最全面的实验结果。

中国科学技术大学教授徐来林表示：“2HDM+a是当今国际上主流的暗物质新物理理论框架之一，在预测暗物质现象、兼容现有实验约束等方面具有显著优势，在LHC实验中预测了丰富多样的暗物质产生过程。”

“该工作在2HDM+a模型框架下系统地开展了多过程搜索和联合统计分析，得出的结果排除了很大一部分暗物质可能的参数空间，为未来的暗物质搜索提供了重要指导。”

李政道研究所博士后研究员武玉庆表示：“虽然我们尚未在LHC上发现暗物质粒子，但相比LHC运行前，我们对暗物质可能存在的参数空间进行了严格的限制，包括暗物质粒子的质量、与其他粒子的相互作用强度等，进一步缩小了搜索范围。”

李政道研究员补充道：“到目前为止，LHC收集的数据仅占实验将记录的总数据的7%左右。LHC在未来20年将产生的数据为发现暗物质提供了巨大的机会。我们过去的经验告诉我们，暗物质可能与我们最初的想法不同，这促使我们在搜索中使用更多创新的实验方法和技术。”