多信使间接探测WIMPs暗物质

Dark matter is the second largest component of the universe, while the nature and interaction of dark matter particles are still unknown. The applicant will focus on the multi-messenger search of WIMPs dark matter. The planned researches include: 1) carefully study the effects of charge-dependent solar modulation effect, space-dependent cosmic ray propagation and uncertainty of antiproton production cross section on AMS-02 potential antiproton excess(antiproton excess); 2) improve the DAMPE electron data analysis in order to increase the identification efficiency and reduce measurement errors; 3) verify the dark matter interpretation of antiproton excess based on the improved DAMPE electron spectra or search for the dark matter signature in it; 4) investigate the gamma-ray emission of dwarf spheroidal galaxies by combining Fermi and DAMPE gamma-ray data to verify the of antiproton excess and its dark matter interpretation; 5) search for dark matter annihilation or decay signals from the radio and X-ray observations of dwarf spheroidal galaxies. By systematically studying the data of cosmic ray antiproton, electron, gamma rays and multi-band electromagnetic radiation, we would manage to find the relationship between these data and search for dark matter signals in a comprehensive and self-consistent way or set limit on dark matter model.

暗物质是宇宙的第二大组成成分，而暗物质粒子的本质和相互作用还不得而知。申请人拟进行的研究将围绕WIMPs暗物质的多信使搜寻展开。申请人将仔细研究电荷依赖的太阳调制效应、空间依赖的宇宙线传播和反质子产生截面的不确定性对AMS-02疑似反质子超出（反质子超）的影响；改进DAMPE电子数据的分析方法，提高鉴别效率，降低测量误差，并基于改进的结果检验解释反质子超的暗物质模型或者搜寻其在正负电子能谱中可能的对应结构；结合Fermi和DAMPE伽马射线数据研究矮椭球星系的伽马射线辐射，进而检验反质子超的真实性及其暗物质解释；通过射电和X射线对矮椭球星系的观测结果来寻找暗物质湮灭或衰变信号。通过系统研究宇宙线反质子、电子、伽马射线以及多波段电磁辐射等数据，寻找这些不同数据之间的联系，以综合、自洽的方式从多种数据中搜寻暗物质信号或对暗物质模型给出限制。

本项目开展的研究工作围绕 WIMPs 暗物质的多信使搜寻展开。通过系统研究宇宙线反质子、电子、伽马射线等数据以及对撞机数据，寻找不同数据之间的联系，从多种数据中搜寻暗物质信号或对暗物质模型给出限制。主要内容和结果有如下几个方面：(1) 宇宙线反质子超出相关的暗物质研究。相比之前对宇宙线反质子传播的研究，我们考虑了电荷依赖的太阳调制效应。具体地说，我们采用电荷依赖的三维太阳调制模型，并用 AMS02 的随时间演化的质子谱数据拟合调制参数。我们发现反质子超出比之前采用力场近似太阳调制的结果更显著。结合 CDF 合作组关于 W 玻色子质量异常的报道，我们发现可以用 i2HDM 模型统一地解释反质子超出、W 玻色子质量异常和银心伽马射线超出，得出的暗物质质量和湮灭截面参数的范围与之前的研究一致。(2) 硼碳比和硼氧比分析。为了研究反质子传播的空间依赖效应，宇宙线次级粒子与初级粒子的比是很重要的，本人参与了数据分析。结果显示硼碳比和硼氧比在100 GeV/n以上变硬。这可能是未知的宇宙线传播效应或宇宙线的空间依赖的传播导致的，需要在未来的暗物质间接探测的研究中仔细加以考虑。(3) 高能电子宇宙线测量。宇宙线电子的测量的前提是精确的电子质子鉴别。利用悟空号积累的大量数据，我们进一步改进了主成分分析方法在高能处 (大于2 TeV) 的效果。对本底的抑制效果在全能段优于传统的用簇射形状做变量的办法。未来可以利用改进的算法，进一步分析电子宇宙线及其能谱结构。