重大突破

　　大量天文学和宇宙学观测表明，暗物质（Dark matter）是存在于宇宙中的一种不可见的物质，它是宇宙物质的主要组成部分，但又不属于构成可见天体的任何一种已知的物质，是21世纪最大科学谜题之一。暗物质与暗能量一起被称为是21世纪物理学的两朵新“乌云”，是当前基础研究的重要前沿。世界科技大国都在积极布局开展这方面的研究和探测。 

　　2021年4月7日，费米实验室的E989实验以前所未有的精度测量了缪轻子的反常磁矩（Muon g-2），给出的最新世界平均值与标准模型理论预言值存在4.2个标准偏差！这一结果引起了国际物理学界的广泛关注（当天线上线下参加发布会的有近万人）。另一方面，天文学上通过伽马射线和宇宙射线间接探测寻找暗物质的实验，如Fermi-LAT银心伽马射线兆电子伏数据和AMS-02反质子数据,也发现了较为显著偏离标准天文背景的信号。这些实验结果都强有力的暗示着超出标准模型之外的新物理的存在，可能带来物理学与天文学的新突破！ 

　　中国科学院紫金山天文台范一中研究员及其团队（包括蔡岳霖、冯磊副研究员及木拉提·阿不都艾尼博士），与紫金山天文台袁强研究员、南京师范大学武雷教授通过详细分析上述三个实验/观测结果以及对撞机实验限制，发现这三个反常信号均与暗物质紧密相关，可能具有共同的物理起源。在次最小超对称标准模型中，如果暗物质质量为50到100 GeV且轻子标量伴子轻于1 TeV，暗物质不仅可以通过标准模型Z玻色子或希格斯玻色子共振湮灭以产生正确的暗物质丰度，而且还可以通过单态希格斯共振有效地在近零温度下s波湮灭到b夸克对末态，从而自然地解释Fermi-LAT银心伽马射线兆电子伏超出和AMS-02反质子超出。同时，暗物质又可以与轻子标量伴子一起通过量子效应正确地解释Muong-2（图1左）。最后，作者们指出在不远的将来XENONnT/PandaX-4T等地下探测实验（图1右）或AMS-02反氘（反氦）探测可以实现对该机制的完全检验。这对下一步暗物质性质研究具有重要的指导意义。 

　　该论文已在线发表在综合类学术期刊Science Bulletin。此项研究得到了国家自然科学基金委、中国博士后科学基金、江苏省双创计划、江苏省特聘教授计划、南京师大彭桓武科教合作中心、天体物理与前物理交叉中心等的支持。 

　　文章链接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2021.07.029 

图1：左为满足Muon g-2和FermiLat银心伽马射线兆电子伏超出的参数空间（红色点），满足AMS-02反质子超出的参数空间（蓝色阴影区域）；右为暗物质与核子自旋无关的散射截面，其中黑色实线和蓝色虚线分别是XENON-1T和XENON-nT实验90%置信水平排除线（图取自Abdughani et al. 2021 Sci. Bull.）。