图 隔离自相互作用暗物质扇区引力波信号与探测器灵敏度的对比
近日，由我校理论物理中心新物理研究组的李松、杨金民、张阳三位老师与暨南大学的张孟超老师、李政道研究所的博士后朱睿合作，在早期宇宙自相互作用暗物质和引力波探测研究方面取得重要研究进展，成果以“Can a secluded self-interacting dark sector generate detectable gravitational waves?”为标题发表于国际著名期刊Journal of High Energy Physics。
暗物质是当代宇宙学与粒子物理研究的核心课题。标准冷暗物质模型虽能解释宇宙大尺度结构，但在小尺度上仍面临一些问题，而具有自相互作用的暗物质（自相互作用暗物质）能够较好地解释相关的小尺度观测。然而，实现自相互作用所需的轻质量暗媒介粒子的衰变会显著影响大爆炸核合成与宇宙微波背景等早期宇宙观测而受到严格限制，若为了逃脱这些限制而假设暗物质具有隔离的扇区（dark sector），那么传统的直接探测、间接探测与对撞机探测又难以发现这种暗的扇区。本研究构建一种隔离的自相互作用暗物质扇区模型，引入自发破缺的暗 U(1)规范对称性来提供暗区的自相互作用，并加入微小质量的暗辐射粒子，通过模型参数点的大规模扫描，综合分析了暗物质自散射截面、有效中微子代数、暗声学振荡以及暗区一阶相变引力波谱等观测量。研究发现，该模型同时受到当前有效中微子代数与莱曼α森林大尺度结构观测的强约束，两者共同排除了大量受未来引力波探测器青睐的参数空间，但仍存在一小部分参数空间产生的引力波信号可被SKA实验所探测（如上图所示）。
该工作系统评估了传统探测手段难以触及的隔离自相互作用暗物质扇区引力波的可探测性，明确了暗区一阶相变引力波探测的可行参数区间，为SKA和LISA等未来引力波实验的观测提供了重要理论参考。本研究得到国家自然科学基金、河南师范大学PI科研基金的支持。
论文DOI：10.1007/JHEP08(2026)180
（物理学院 吴嘉宁）