结合引力波观测和粒子物理实验关于基本相互作用性质的理论研究

In 2012 and 2016, the Higgs boson and gravitational wave induced by black holes were discovered by experiments, the fundamental physics enters the new era. For one hand, the discoveries indicate the past theories are very successful, for the other hand, there are still unsolved puzzles, e.g. the naturalness problem and the common basis to describe the four fundamental interactions. How to proceed is one of the important subjects. In this proposal, three main topics will be covered: (1) to investigate the basic properties of particle physics via gravitational waves, e.g. the type of the electro-weak phase transition, and based on these properties to cross check the new physics models, e.g. Lee model which is proposed to connect the spontaneous CP violation and the Higgs mass; (2) to investigate the dark matter properties via gravitational waves, and the effects include two aspects: dark matter may induce gravitational waves or affect their propagation; (3) to investigate the feasibility of particle experiments to detect the effects of general relativity and beyond.

在2012与2016年，Higgs粒子和引力波相继被发现，基础物理研究进入了一个新时代。一方面，这两项发现表明过去的理论取得了巨大的成功；另一方面，基本相互作用本身尚存在巨大的疑惑（例如自然性问题，四种相互作用尚不能在统一框架下理解），如何理解这些疑惑是需要进一步研究的课题。本项目拟结合引力波观测和粒子物理实验研究三方面的内容：（1）通过引力波检验粒子物理的基本性质(例如电弱对称性破缺的相变类型)并验证各种相关的新物理模型（如Lee模型，这个模型可以实现CP自发破坏并解释Higgs质量）；（2）通过引力波研究暗物质的性质，既包括暗物质产生的引力波，也包括暗物质对于引力波传播造成的影响；（3）在粒子物理实验中探测广义相对论效应甚至偏离的可行性研究。

本项目针对引力波和Higgs粒子被发现之后的新物理进行了全面的探索，特别关注了基本相互作用的性质。具体研究成果包括提出了新的暗物质演化的催化机制，新物理模型的构建（如Minimal Neutral Naturalness模型），以及引力波探测与加速器实验的互补性研究等。(1) 我们提出了一种全新的暗物质通过催化湮灭脱藕机制。这是一个暗物质新的脱藕范式，即暗物质湮灭由于存在新的粒子，反应过程被催化了。我们详细讨论了暗物质通过过程 2χ→2A′和 3A′→2χ联合过程而减少，其中χ和 A′分别代表暗物质粒子和催化粒子。这个新的催化机制的提出，不但满足目前的实验约束，而且大大扩展了暗物质粒子的质量允许范围，在未来的实验中也可以检验这个新的脱藕机制。（2）我们构建了最小的中性自然性模型以及提出称为软破缺的对称性破缺方式，使得Higgs自相互作用相互作用常数λ被有效压低。（3）我们以一个流行的暗物质模型即惰性二重态模型（inert doublet model）为例，研究如何通过相变引力波和轻子对撞机信号来互补的探测该暗物质“直接探测盲区”。（4）提出共识论。针对过去新物理研究的不足，我们提出了以共识论为基础重新理解物理的基本规律。

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