[论文解读] Seven (and a half) reasons to believe in Mirror Matter: From neutrino puzzles to the inferred Dark matter in the Universe

R. Foot|ArXiv.org|Feb 16, 2001

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 3

一句话总结

本文提出镜像物质——一种在宇称变换下与普通物质对称的假想粒子——可能解决粒子物理学与宇宙学中的多个未解之谜。文章认为镜像物质可解释暗物质、中微子振荡、正电子素寿命异常以及异常流星事件，提出四项可检验的预测，包括若希格斯场与镜像希格斯场发生混合，则希格斯玻色子衰变率将减少50%。

ABSTRACT

Parity and time reversal are obvious and plausible candidates for fundamental symmetries of nature. Hypothesising that these symmetries exist implies the existence of a new form of matter, called mirror matter. The mirror matter theory (or exact parity model) makes four main predictions: 1) Dark matter in the form of mirror matter should exist in the Universe (i.e. mirror galaxies, stars, planets, meteoroids...), 2) Maximal ordinary neutrino - mirror neutrino oscillations if neutrinos have mass, 3) Orthopositronium should have a shorter effective lifetime than predicted by QED (in "vacuum" experiments) because of the effects of photon-mirror photon mixing and 4) Higgs production and decay rate should be 50% lower than in the standard model due to Higgs mirror - Higgs mixing (assuming that the seperation of the Higgs masses is larger than their decay widths). At the present time there is strong experimental/observational evidence supporting the first three of these predictions, while the fourth one is not tested yet because the Higgs boson, predicted in the standard model of particle physics, is yet to be found. This experimental/observational evidence is rich and varied ranging from the atmospheric and solar neutrino deficits, MACHO gravitational microlensing events, strange properties of extra-solar planets, the existence of "isolated" planets, orthopositronium lifetime anomaly, Tunguska and other strange "meteor" events including perhaps, the origin of the moon. The purpose of this article is to provide a not too technical review of these ideas along with some new results.

研究动机与目标

• 提出镜像物质作为解决粒子物理学与宇宙学中未解问题（包括中微子振荡与暗物质）的方案。
• 论证宇称与时间反演对称性虽在观测相互作用中被打破，但若存在镜像物质，可能仍是基本对称性。
• 在单一理论框架下统一解释不同现象——中微子亏损、微引力透镜、异常流星以及正电子素衰变。
• 提出镜像物质理论的可检验预测，尤其关注希格斯物理与中微子混合。
• 通过累积的间接证据，推动对镜像物质的实验与观测搜索。

提出的方法

• 假设标准模型的宇称不变性扩展，具有双重规范群：$G \otimes G$，其中 $G = SU(3) \otimes SU(2)_L \otimes U(1)_Y$。
• 引入镜像费米子与镜像规范玻色子，它们在普通规范群下为单重态，确保与普通物质仅有弱耦合。
• 引入光子-镜像光子动力学混合，以解释正电子素寿命的偏离现象。
• 通过希格斯-镜像希格斯混合建模，预测希格斯粒子的产生与衰变率相比标准模型减少50%。
• 若中微子具有质量且非 degenerate（非简并），则预测普通中微子与镜像中微子之间发生最大振荡。
• 在镜像物质框架下分析观测数据，如MACHO微引力透镜、通古斯卡类事件及系外行星异常。

实验结果

研究问题

• RQ1 镜像物质能否通过普通中微子与镜像中微子之间的最大振荡，解释观测到的大气与太阳中微子亏损？
• RQ2 正电子素在真空实验中有效寿命异常缩短，是否可作为光子-镜像光子混合的证据？
• RQ3 镜像物质能否解释由引力微引力透镜与星系旋转曲线推断出的暗物质？
• RQ4 希格斯-镜像希格斯混合是否可预测希格斯粒子产生与衰变率减少50%，以及如何进行检验？
• RQ5 镜像物质能否解释通古斯卡爆炸等事件中无撞击坑或碎片残留的现象，以及孤立或‘消失’流星的存在？

主要发现

• 镜像物质为暗物质提供了自然解释，镜像星系、恒星与行星可能因与普通物质弱耦合而未被探测到。
• 若中微子具有质量且非简并，则预测普通中微子与镜像中微子之间发生最大振荡，与太阳与大气中微子数据一致。
• 由于光子-镜像光子动力学混合，正电子素的有效寿命预测短于量子电动力学（QED）预测值，提供可检验的信号。
• 由于希格斯-镜像希格斯混合，预测希格斯粒子的产生与衰变率比标准模型低50%，尽管当时希格斯玻色子尚未被发现，该预测尚未得到检验。
• 异常流星事件（如通古斯卡爆炸）可能源于与不留下陨石或碎片的镜像物质天体碰撞。
• 月球的起源或可由镜像物质撞击解释，此类撞击不会留下可探测的化学痕迹，从而解决了地球地幔与月球成分相似的难题。