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近日，物理学院特聘研究员王志伟与瑞典隆德大学教授Roman Pasechnik，瑞典斯德哥尔摩大学博士后研究员Pierluca Carenza，在物理顶尖期刊《Physical Review Letters》上发表了文章“Composite Heavy Axionlike Dark Matter”。我校王志伟研究员为文章的唯一通讯作者，作者署名按国际高能物理领域惯例以姓名拼音顺序排列，电子科技大学物理学院是通讯作者唯一单位。

此项工作提出一种全新的暗物质候选者：复合的重型轴子类粒子（GALP）。这一理论展示了，暗物质不必一定由极轻的轴子构成，也可能由质量非常大、但与光几乎不发生相互作用的“暗胶球”组成。这些粒子由“暗胶子”凝聚而成，其稳定性来自一种隐秘的重型费米子，而与普通物质的微弱联系则可能留下宇宙中可被未来探测的痕迹。这项工作开辟了探索“重型轴子暗物质”的新方向，大幅扩展了暗物质搜寻的可能空间。

我们今天所能看到的宇宙，只占据了它全部质量的大约5%。其余的部分由暗物质和暗能量构成，而暗物质是维系星系旋转、宇宙结构形成的关键，却至今未被直接探测。过去几十年，科学家们设想了各种可能的暗物质粒子。其中，轴子（axion）是一种非常轻、与光作用极弱的假想粒子，一直是研究焦点。但轻轴子的理论模型存在许多挑战，比如必须非常轻才足够稳定，否则就会很快衰变成光子而无法存活至今。正因为此，过去人们普遍认为“重轴子”并不适合作为暗物质。

这项研究打破了这一传统认知。作者们提出了一种全新的物理框架，其中的“轴子类粒子”不再是一个基本粒子，而是由一种“暗色力”（类似于强核力）中的“暗胶子”缔合而成的“暗胶球”。这些暗胶球具有轴子般的行为，但质量可以大得多，甚至可达上万亿亿电子伏特。

关键在于，这些重轴子类粒子的衰变路径被一种非常重的“暗费米子”屏蔽，从而极大地延长了其寿命。这种机制在无需人为微调的情况下，自然产生了一种强烈抑制的光子耦合，使得这些重粒子既稳定又“隐身”。

本研究建立了一种全新的“质量–耦合”标度关系，打破了传统轴子模型中“质量越大、耦合越强”的线性趋势。GALP 粒子的耦合强度与其质量的三次方成正比，同时受到重型费米子门户质量的强烈反比压制，从而实现了在高质量下依然极度微弱的耦合。这一非线性结构不仅拓展了参数空间的可能性，也使这类粒子成为稳定暗物质的潜在候选者。文章还系统分析了可实现的参数范围，并指出这些粒子有望通过未来的间接天文观测探测到，例如其极缓慢衰变所释放的微弱伽马射线信号。

   图1. 展示了这种重型轴子类暗物质粒子的“质量–耦合”关系，并标出了哪些参数范围已被现有观测所排除。图中白色区域代表这类粒子可能存在的“新领域”，未来的暗物质搜寻有望在这一未被探索的区域中取得突破。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/49pk-z8c8