近期，我院祝斌副教授与紫金山天文台木拉提博士提出一种能够计算隐藏区间自相互作用暗物质遗迹密度的新机制。该成果以《Thermal Relic of Self-Interacting Dark Matter with Retarded Decay of Mediator 》为题正式发表在权威自然科学综合性学术刊物《Journal of High Energy Physics》(JHEP)。

大多数暗物质物理学家都计算暗物质遗迹密度时都是考虑的暗物质和媒介粒子质量比较接近的情形，最典型的代表就是弱作用大质量粒子。此时的湮灭过程属于短程相互作用。然而，随着暗物质间接探测实验和多体模拟的发展，长程相互作用吸引了更多物理学家的注意。在间接探测方面，在Fermi-LAT，AMS和悟空卫星上观测到的正电子超出和暗物质遗迹密度的截面并不兼容，这强烈的暗示暗物质之间存在着短程相互作用以外的长程作用形式。在多体模拟方面，冷暗物质模型与星系尺度上的天体物理观测之间存在差异。因此，自作用暗物质被提出来解决银河系和更小尺度上的核心-尖峰和失踪卫星问题。在暗物质晕的中心区域，来自暗物质的能量转移提供了一种加热暗物质粒子的方法，从而可以很容易地创建一个等温的核心。在自相互作用暗物质模型中，长程相互作用使得自相互作用截面与暗物质的速度有关，以便在相对较高的速度下摆脱子弹簇的约束，并在低速时获得大的横截面。然而直接探测几乎排除掉了自相互作用暗物质存在的大部分参数空间，因此学者开始考虑暗物质存在在隐藏区间的可能性。

祝斌和木拉提博士研究了隐藏区间中长程相互作用对暗物质遗迹密度的影响。研究发现，隐藏区间的温度与标准模型热浴的温度不同。因此需要通过熵密度守恒的机制来计算两个系统的温度之比。而长程相互作用除了使截面具有明显的速度依赖，还可以在宇宙的演化过程中形成暗物质束缚态。祝斌等人详细计算隐藏区间的温度演化和束缚态形成过程，首次讨论了这一类机制的固有属性，得到了具体的解析公式，量化了不同温度比对暗物质模型的影响。研究的另一个重要发现为，尽管束缚态形成的截面很小，不足以影响暗物质遗迹迷底，但由于其是s波，对宇宙微波背景辐射有重要的影响。

该论文获得了评审专家的高度评价，已正式在线发表于JHEP期刊。此项研究得到了国家自然科学基金、山东省自然科学基金项目的支持。文章链接：http://dx.doi.org/10.1007/JHEP12(2021)059

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