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次最小超对称模型对伽马射线超出的阐释与探究

一、引言

1.1研究背景与意义

在现代物理学的发展历程中，粒子物理标准模型（StandardModelofParticlePhysics）无疑是一座重要的里程碑。它成功地统一描述了三种基本相互作用，即强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用，对62种基本粒子进行了系统分类，并通过希格斯机制从数学层面解释了质量起源。从原子核内部质子（由两个上夸克和一个下夸克组成，即uud）和中子（由一个上夸克和两个下夸克组成，即udd）通过胶子束缚构成原子核，到化学键本质是电磁力（通过光子交换决定分子结构），再到放射性衰变（如β衰变涉及弱相互作用和W玻色子），标准模型都能给出精确的理论解释，犹如微观世界的“元素周期表”，揭示了微观世界的根本规律。2012年，欧洲大型强子对撞机（LHC）上发现了标准模型预言的希格斯玻色子，这一重大成果进一步彰显了标准模型理论的强大威力。

然而，标准模型并非完美无缺。在引力方面，它无法将引力纳入其中，这导致在描述黑洞、宇宙膨胀等涉及引力的宏观现象时显得无能为力。在CP破坏问题上，观测到的宇宙正反物质不对称性需要新的机制来解释，而标准模型中的CP破坏不足以说明这种不对称性。此外，规范等级问题也是标准模型的一大困境，希格斯质量的量子修正使得理论值比观测值大10^17倍。这些缺陷表明，标准模型只是一个阶段性的理论，并非最终的完美理论，需要新的物理理论来进行扩充和完善，这也为物理学的进一步发展提供了新的探索方向。

暗物质的存在是现代宇宙学和天体物理学中的一个重要发现。通过引力透镜、子弹星系团等多种宇宙学和天体物理观测，科学家们确认了暗物质的存在。尽管暗物质无法直接被观测到，但它占据了宇宙物质总量的约85%，在宇宙的演化过程中扮演着举足轻重的角色。暗物质的分布和运动影响着宇宙的大尺度结构形成，对星系和星系团的结构和演化也有着关键作用。例如，在星系的旋转曲线研究中发现，仅考虑可见物质的引力无法解释星系边缘恒星的高速旋转，只有引入暗物质的引力作用才能合理地解释这一现象。然而，暗物质的具体粒子物理细节仍然是一个未解之谜，这也成为了寻找超出标准模型新物理的重要突破口。

暗物质的探测方法主要分为直接探测和间接探测。直接探测实验旨在通过探测暗物质粒子与探测器中的原子核相互作用产生的反冲信号来直接发现暗物质，如位于意大利的DAMA实验、Xenon1T实验，美国南达科他州的LUX实验以及中国锦屏的PandaX实验等，这些实验大多以液态氙为探测器主体在地下进行，以减少宇宙射线等背景噪声的干扰。间接探测实验则是通过探测暗物质湮灭或衰变产生的稳定的末态粒子，如伽马射线、反质子、中微子等，来间接推断暗物质的存在和性质。其中，银河系中心伽马射线超出（GalacticCenterGamma-RayExcess，GCE）是暗物质间接探测中的一个重要现象。根据费米伽马射线太空望远镜上搭载的大区域望远镜（Fermi-LAT）所给出的数据，银河系中心伽马射线在几个GeV能量上出现超出，这一现象得到了多个实验组的确认。尽管对于这一超出的来源存在多种解释，如脉冲星等，但暗物质湮灭模型也能很好地解释这一现象，并且相关模型研究表明，银心伽马射线的超出呈现出以银心为中心的球型结构，其伽马光谱有着和暗物质湮灭相一致的特点。

超对称模型（supersymmetry，SUSY）作为新物理研究中备受关注的模型之一，具有简洁优美的形式。它通过引入费米子和玻色子之间的对称性，将标准模型自然地纳入其框架内，成功解决了标准模型中的规范等级问题。在超对称模型中，每一个标准模型粒子都有一个与之对应的超伴子，它们具有相同的质量和相互作用，只是自旋相差1/2。最小超对称模型（MinimalSupersymmetricStandardModel，MSSM）是超对称模型中最为简单的一种，通常被视为超出标准模型的首选模型。在MSSM中，超势各项的R宇称是守恒的，这保证了理论能够给出实验上测得的足够长的质子寿命。然而，随着实验技术的不断发展和新的实验结果的出现，最小超对称模型逐渐暴露出一些问题，例如无法很好地解释一些实验现象，与必威体育精装版的实验数据存在冲突等，这使得它不再被认为是一个理想的超出标准模型的模型。

次最小超对称模型（Next-to-MinimalSupersymmetricStandardModel，NMSSM）在最小超对称模型的基础上进行了扩展，引入了一个单态超场，从而增加了模型的自由度，使其能够更好地解释一些物理现象。在NMSSM中，质量最轻的中性超粒子（\chi_1^0，neutralino）成为了备受关注