LHC暗物质探测获突破，中国CEPC项目完成技术设计

LHC暗物质探测获突破，中国CEPC项目完成技术设计

2012年，欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）发现了质量约为125 GeV的希格斯玻色子，为我们打开了一扇通往宇宙未知领域的大门。此后，全球高能物理界就将e+e-希格斯工厂作为大型强子对撞机（LHC）之后的下一代对撞机的重要性达成了共识。2012年我国科学家在国际上率先提出应该建设环形正负电子对撞的Higgs工厂——CEPC，目前已完成概念设计报告（2018年）和加速器技术设计报告（2023年），关键技术预研取得突破，推动了我国高频超导腔、高效速调管、磁铁、真空、束测、电源、半导体探测器、ASIC芯片等核心技术达到国际水平。

大型强子对撞机（LHC）是目前世界上最大的粒子对撞机，位于瑞士和法国边境的地下深处，占据了一条周长近27公里的地下隧道。它通过将粒子加速到接近光速并进行对撞，创造出极端能标条件，以模拟宇宙大爆炸后的状态，从而帮助科学家探索物质的基本结构和宇宙的起源。

LHC的主要任务之一就是寻找神秘的暗物质。暗物质是一种不发光、不吸收光，也无法直接观测到的物质，其存在只能通过引力效应推断。据估计，暗物质约占宇宙总质量的85%，而普通物质仅占不到5%。揭示暗物质的性质对于理解宇宙的结构和演化至关重要。

科学家们提出了多种描述暗物质的理论，其中最有希望的一种版本叫做WIMPs模型，全称是弱相互作用重粒子（Weakly Interacting Massive Particles）。这种理论认为，暗物质粒子运行速度不快，但质量很大，粒子的运动速度决定了物质的温度，因此这种猜测下的暗物质也被叫做冷暗物质。

根据暗粒子模型计算出来的暗物质数量和天文观测计算出来的数量比较相符，数据匹配特别好，而且也和宇宙大爆炸理论相符合。所以，物理学家们把它称为WIMPs奇迹。大家喜欢这个理论的另外一个理由是，这个理论是可以用大型粒子加速器或者其他的办法去探测的，能够用实验去检测是一个可靠理论必备的特征。

在LHC中，科学家们通过高能粒子对撞实验来寻找暗物质的蛛丝马迹。具体来说，他们利用2HDM+a理论框架（双希格斯二重态伴随赝标媒介粒子理论）来指导实验设计和数据分析。这一理论框架预言了五种希格斯粒子的存在，并通过对于粒子物理标准模型的紫外完备化最小扩展（UV-complete minimal extension）来实现暗物质与上帝粒子希格斯之间的联系。

欧洲核子研究中心（CERN）大型强子对撞机（LHC）上的ATLAS国际合作实验组近日在《Science Bulletin》和《Journal of High Energy Physics》上分别发表了暗物质与暗光子联合统计测量的最新结果，为高能对撞机实验中双希格斯二重态伴随赝标媒介粒子理论 (2HDM+a) 框架下的暗物质探测以及希格斯的暗光子衰变过程探测给出了目前国际上最好的实验限制，同时也是通过上帝粒子希格斯探索暗物质之谜的重要进展。

ATLAS国际合作组采用了Run-2阶段质子-质子对撞完整数据集（约139 fb-1数据量），通过2HDM+a理论框架所预言的丰富物理过程，对于LHC上的暗物质寻找研究成果做了系统的总结，并针对其中最为灵敏且互补的三个实验分析道：ETmiss+Z(ll)、ETmiss+H(bb)与tbH±(tb)开展联合统计分析与合并，获得了2HDM+a理论框架下相关暗物质新物理参数空间最为严格的实验限制。2HDM+a理论框架是LHC实验中暗物质探测的主流理论模型，预言了五种希格斯粒子（一对CP为偶的希格斯粒子H与h，一个CP为奇的赝标希格斯粒子A，一对带电荷希格斯粒子H±）与一个可以和暗物质粒子之间发生耦合的额外赝标量媒介粒子（a）的存在，通过对于粒子物理标准模型的紫外完备化最小扩展（UV-complete minimal extension）来实现暗物质与上帝粒子希格斯之间的联系。论文成果中呈现了近20个不同的分析道，既有传统意义上包含暗物质产生的“丢失能量”分析道，也包含了带电荷希格斯及四顶夸克过程等无暗物质直接产生但与2HDM+a理论框架直接相关的新颖分析道，在六个不同的理论基准场景（Scenario）下给出参数空间的实验限制，使其成为了LHC-ATLAS实验迄今为止所发表的分析规模最大、综合性最强的暗物质探测实验成果之一。

此外，ATLAS国际合作组通过希格斯玻色子的“半可见”衰变过程：希格斯衰变为光子与“暗光子”，开展了深入研究，并综合利用胶子-胶子融合希格斯暗光子产生过程（gluon-gluon fusion H→γγd）、矢量玻色子融合希格斯暗光子产生过程（VBF H→γγd）、Z玻色子伴随希格斯暗光子产生过程（ZH→γγd）开展了相应的联合统计分析与统计合并，获得了标准模型希格斯H→γγd分支比（1.3%）目前世界上最好的实验限制，以及重质量希格斯HBSM→γγd目前世界上最高的质量排除限（3TeV）。

尽管LHC在暗物质研究方面取得了重要进展，但仍面临诸多挑战。暗物质粒子的探测极其困难，即使在对撞机中偶尔产生，也很难被捕捉。此外，现有的理论模型如冷暗物质、热暗物质和温暗物质都存在一定的局限性，无法完全解释所有观测现象。

未来，随着LHC的升级和新一代对撞机的建设，科学家们将继续深入探索暗物质的奥秘。中国设计的未来环形对撞机（CEPC）项目，作为国际上第一个基于环形对撞机的希格斯工厂的技术设计报告，将为暗物质研究提供新的平台。CEPC是一个环形希格斯工厂，它由四个加速器组成：一个30 GeV的直线加速器、一个1.1 GeV的阻尼环、一个能量高达180 GeV的增强器，以及一个在四种不同能量模式下运行的对撞机，质心能量分别对应ZH产生（240 GeV）、Z极（91 GeV）、W+W-（160 GeV）和ttbar（360 GeV）。这些加速器由10条传输线连接。直线加速器和阻尼环将建在地表，而增强器和对撞机将建在周长为100公里的地下环形隧道中，并为以后的强子对撞机SppC预留宽度空间。

暗物质之谜的解开将为人类带来对宇宙更深刻的理解。随着科技的不断进步和国际合作的加强，我们有理由相信，这一神秘物质的面纱终将被揭开，为人类揭示宇宙最深层的秘密。