探测引力暗物质

迄今为止，所有暗物质 (DM) 的证据均来自天体物理和宇宙学观测，且源于 DM 的引力相互作用。宇宙中真实的 DM 粒子可能仅参与引力相互作用而不参与其他任何作用。这种引力暗物质 (Gravitational DM, GDM) 表现为弱相互作用大质量粒子 (WIMP)，概念简单且具有吸引力。在本工作中，我们通过构建最简单的标量 GDM 粒子 $\chi_s$ 来探索这一方向。它是标准模型 (SM) 规范群下的 $Z_2$ 奇单态，并自然地参与唯一的维度 -4 相互作用项 $\xi_s \chi_s^2 R$（与 Ricci 曲率耦合），其中 $\xi_s$ 是无量纲非最小耦合常数。我们证明，该引力相互作用 $\xi_s \chi_s^2 R$ 连同 Higgs-曲率非最小耦合项 $\xi_h H^\dag H R$，诱导了 $\chi_s^2$ 与 SM 场之间的有效耦合，从而可以解释观测到的 DM 热遗留丰度。我们分析了 GDM 粒子的湮灭截面，并推导了实现 DM 热遗留密度所需的可行参数空间。我们进一步研究了此类标量 GDM 的直接/间接探测及对撞机信号。结果表明这些信号具有高度的预测性和可检验性。