Endothermic Z'-Portal Dark Matter: LZ-LHC Complementarity
受 LUX-ZEPLIN 合作组近期报告的高能反冲事件启发，本文在规范化 框架内提出了一种吸热型 门户马约拉纳暗物质模型，展示了暗物质丰度约束与 LHC 共振搜索之间的相互作用如何能在解释该异常现象的同时，为未来实验提供可检验的协同效应。
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几十年来，物理学家一直在寻找构成宇宙中大部分物质的不可见物质。他们称之为暗物质。虽然我们看不见它，但我们知道它的存在，因为它的引力将星系维系在一起。主流理论认为，暗物质由沉重且移动缓慢的粒子组成，这些粒子极少与普通物质发生相互作用，像幽灵一样穿透我们。为了寻找它们，科学家们在地下深处建造了巨大的探测器，以屏蔽宇宙射线和其他噪声。这些探测器等待着暗物质粒子偶尔撞击原子核，从而产生微小的闪光或少量的热量。然而，这些探测器寻找的信号通常非常微弱，且碰撞产生的能量预计是很低的。
最近，一个位于南达科他州深处矿井中的大型实验——LUX-ZEPLIN，报告了一些不同寻常的情况。探测器记录到了一个单一事件，其中原子核的反冲具有惊人的高能量，远高于标准暗物质理论通常预测的能量。这单个事件还不足以宣布一项发现，但其强度足以引起关注，表明如果暗物质确实存在，它的行为可能比之前认为的更加复杂。问题变成了：这个特定的、高能量的隆起，是否可能是某种新型暗物质的第一个真实迹象？如果是这样，这对物理定律又意味着什么？
在一项新的研究中，研究人员 Nobuchika Okada 和 Digesh Raut 提出了一个针对该事件的具体解释。他们认为，暗物质粒子并非一个简单的、静态的物体，而是一个可以改变状态的粒子。想象一下，暗物质粒子就像一个沉重的球，当它撞击原子核时，会吸收碰撞中的一部分能量，从而跃迁到自身的一个略微更重的版本。这种被称为“内能散射”（endothermic scattering）的过程需要大量的能量才能发生。因为碰撞必须提供这部分额外的能量来实现这种跃迁，所以原子核的反冲能量被推向了更高水平，这与 LUX-ZEPLIN 团队观察到的奇怪信号相吻合。研究人员建立了一个数学模型，在该模型中，这些粒子通过一种新的、沉重的力载体（他们称之为 Z' 玻色子）与普通物质发生相互作用。
这个模型的精妙之处在于它将通常孤立运行的三种不同物理领域联系在了一起。首先，该模型必须解释为什么今天的宇宙拥有正确数量的暗物质。研究人员发现，为了让所提出的粒子具有正确的丰度，它们的质量必须几乎是沉重的 Z' 玻色子质量的一半。这种特定的关系使得这些粒子能够在早期宇宙中高效地相互湮灭，从而留下如今我们所看到的恰到好处数量的暗物质。其次，该模型必须解释矿井中观察到的高能隆起。那个在过去帮助创造了暗物质的沉重玻色子，现在充当了桥梁，允许暗物质在碰撞过程中跃迁到其更重的状态。第三，该模型必须经受住我们最强大的粒子对撞机的测试。位于欧洲的大型强子对撞机将质子以惊人的速度碰撞在一起，寻找像这种 Z' 玻色子这样的新粒子的迹象。
研究人员绘制了这种暗物质和 Z' 玻色子的可能属性图谱，以观察是否存在一个能同时满足这三个条件的解。他们发现了一个极其狭窄的可能性窗口。如果 Z' 玻色子太重或者它携带的力太弱，暗物质在早期宇宙中就会湮灭过多，导致宇宙变得空虚。如果力太强，大型强子对撞机早就已经发现了这个 Z' 玻色子。然而，在中间存在一个“甜点区”，在这里，暗物质丰度是正确的，矿井中的高能碰撞是可能的，且大型强子对撞机尚未对其进行排除。
这项研究强调了不同类型实验之间的强大协同作用。地下探测器观察的是碰撞后的结果，而粒子对撞机则寻找力载体本身的产生过程。研究人员表明，解释 LUX-ZEPLIN 事件所需的特定条件并非随机的；它们与新力的质量和强度紧密相连。如果暗物质确实是以这种方式运作，那么下一代运行强度更高的大型强子对撞机，应该能够直接找到这个 Z' 玻色子。发现那个粒子将证实连接暗区与我们世界的力的存在，从而将探测器中一个单一且神秘的隆起，转化为一个被证实的物理学新篇章。在此之前，该模型仍是一个引人注目的可能性，等待着下一波数据来要么证实这个故事，要么为这种特定的解释画上句号。
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