基于DAMPE伽马射线的暗物质间接探测研究

It is widely believed that the dark matter particles can be indirectly detected in gamma-rays and/or electron cosmic rays. The main goal of the Drak Matter Particle Explorer (DAMPE), which can measure the electrons and gamma-rays with very high energy resolution, is to detect the dark matter annihilation/decay signals or tightly constrain the physical parameters of the dark matter particles (including their rest mass, the annihilation cross section/the lifetime). Here we propose to analyze the DAMPE gamma-ray data, together with some public data, in the directions of the inner Galaxy, the dwarf galaxies and the galaxy clusters to search for gamma-ray line or the continual gamma-ray emission that are correlated to the distribution of the dark matter. Significant progresses are expecetd.

暗物质粒子的物理本质研究是国际重大研究前沿之一。目前的主要探测手段之一为暗物质间接探测。我国发射的暗物质粒子探测卫星，主要通过对电子宇宙射线与伽马射线的能谱、空间分布等的测量来发现暗物质粒子或高精度的限制其物理参量（例如暗物质粒子的质量、湮灭截面或衰变寿命等）。本项目中我们计划充分利用暗物质粒子探测卫星的伽马射线数据并综合利用一些公开获取的数据，系统的在银河系中心、矮星系、星系团等区域开展暗物质湮灭所致的线谱信号、连续谱信号搜寻，预期将在部分方向上得到重要进展。

伽马射线是暗物质粒子探测卫星（悟空号）主要观测对象之一，利用伽马射线的观测进行暗物质粒子间接探测具有重要的科学意义。在项目的支持下，我们完善了悟空号的仪器响应函数，优化了伽马射线分析软件；针对伽马射线线谱搜寻的需要，我们还专门发展了光子挑选算法，并将BGO量能器中才开始转换的部分光子也纳入了分析研究。尽管悟空号的接受度仅为Fermi-LAT的1/7，但得益于其前所未有的高能量分辨，我们对于暗物质湮灭到线谱的截面的限制精度与Fermi-LAT相当，对于衰变情形在100GeV以下的限制比Fermi-LAT强1倍左右。在暗物质间接探测理论研究方面，我们在次最小超对称模型下对反常磁矩（Muon g-2）异常、Fermi-LAT 银心GeV伽马射线超出、AMS-02反质子超出予以了研究，我们详细分析了上述三个实验/观测结果以及对撞机实验限制，发现这三个反常信号可能具有共同的物理起源并将暗物质的质量限制为～60GeV。我们还基于Fermi-LAT的数据开展了系统的暗物质信号搜寻工作，排除了之前被业界寄予厚望的矮星系Ret-II的伽马射线信号来自于暗物质的可能性。