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“悟空”号发表暗物质线谱搜寻结果

2021-12-30 17:19          伽马射线宇宙射线
天文学家在不同的观测中发现,宇宙需要一种不可见的能够提供引力的物质即暗物质。弱相互作用大质量粒子(WIMP)是暗物质粒子模型中的重要候选者,一些模型预言WIMP暗物质粒子湮灭或衰变可以形成GeV-TeV能区的谱线。来自于天体物理过程的高能辐射与带电的宇宙线粒子相关,这是由于加速和能损的过程通常不会集中于某一个能量,因而天体物理过程产生的伽马射线辐射是一个连续谱。假若在伽马射线能区发现一条线谱,预示着某种来自暗物质或新物理的未知过程。天文界积极开展线谱搜寻工作。近年来,科学家利用费米卫星观测的银河系中心、星系团和矮星系等多个区域的伽马射线数据搜寻GeV-TeV的线谱,限制了暗物质的参数空间。

对于线谱搜寻,探测器的能量分辨率是关键因素。高能量分辨使潜在的信号更凸显,且显著降低系统误差的影响。费米卫星具有大的接受度,但它的能量分辨率大于6%。相比之下,“悟空”号暗物质粒子探测卫星的最佳能量分辨率优于1%,居于世界领先地位,在线谱搜寻方面具有独特的优势。为了进一步提升线谱搜寻的灵敏度,“悟空”号合作组在分析方法上有重要创新:构造了一个与线谱灵敏度相关的探测器参数,根据参数优化光子挑选策略获得了线谱灵敏度最优的数据;挑选出在量能器内转化的光子事例,并将它们纳入到数据分析。

基于此前5年的观测数据,“悟空”号合作组在10 GeV到300 GeV的能区内进行线谱信号搜寻,对暗物质湮灭截面的上限和衰变寿命予以了强的限制。如图所示,“悟空”号在接受度只有费米卫星的1/10的条件下获得了和费米卫星相当的限制水平。在暗物质衰变情形,“悟空”号在100GeV以下能区比费米卫星强1倍左右。该结果证明了高能量分辨探测器在暗物质搜寻方面的发现潜力。

该工作是“悟空”号的首个伽马射线数据分析结果,在线发表在Science Bulletin上。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院的支持。“悟空”号合作组由来自三个国家超过140位科学家与工程师组成。

论文链接

 
 

“悟空”号对暗物质湮灭到双光子通道的截面上限(左)和衰变到光子、中微子的衰变寿命下限(右)

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