基于Fermi-LAT和AMS-02的暗物质理论研究

The dark matter detection is hot research subject nowadays. The indirect detection of dark matter particles is an important method to search the evidence for the existence of dark matter and measure the physics parameters of dark matter (such as mass and cross section or lifetimes). This program plans to search the dark matter signals and study the nature of dark matter particles using the AMS-02 data and Fermi-LAT data. ATIC discovered that there is an excess at about 300 to 800 GeV in the cosmic ray electron plus positron energy spectrum. This discovery was confirmed by Pamela. There are two kinds of models to explain this excess: the existence of dark matter and the existence of astrophysics source. AMS-02 can obtain more cosmic ray events and have higher energy resolution. So AMS-02 provides better measurement of cosmic rays and we can study the origin of the excess. Moreover, it is an important method for the indirect detection of dark matter to find the possible excess in gamma ray observation. Weniger et al find a tentative gamma-ray line at about 130 GeV. We plan to study this signal using more Fermi-LAT data and study the gamma ray point source and so on.

暗物质的探测是当今重大科学前沿。暗物质间接探测是寻找暗物质存在的证据和确定暗物质粒子的物理参量（质量，湮灭截面或衰变寿命等）的重要手段。本项目计划利用即将发布的AMS-02宇宙射线数据和现阶段已经实时公开的Fermi-LAT伽玛射线数据来寻找暗物质的信号和研究暗物质的性质，重点是对一些奇异的能谱结构（例如ATIC/HESS/Fermi-LAT发现的总电子能谱超、PAMELA/Fermi-LAT探测到的正电子超出、ATIC/CREAM/PAMELA发现的宇宙线能谱超出、Fermi-LAT数据中可能的130GeV线谱结构等）进行深入研究，区分/限定暗物质起源与普通天体物理起源，发现暗物质粒子存在的证据或高精度限制物理参数。

暗物质的探测是当今重大科学前沿。暗物质间接探测是寻找暗物质存在的证据和确定暗物质粒子的物理参量（质量，湮灭截面或衰变寿命等）的重要手段。本项目的初衷是利用Fermi-LAT和AMS-02的数据进行暗物质理论方面的相关研究。重点是对一些奇异的能谱结构进行深入研究，区分/限定暗物质起源与普通天体物理起源，发现暗物质粒子存在的证据或高精度限制物理参数。在项目执行过程中我们基本按照项目申请书的研究内容和研究计划开展工作。取得了一定的成绩。在本项目的支持下，申请者发表第一作者或通讯作者SCI论文三篇，另有一篇通讯作者SCI论文已接受。此外还发表两篇中文核心期刊论文。. 第一个工作（Li et al, PLb749(2015)267–271）我们利用AMS-02的负电子减正电子的数据，证实了临近电子宇宙线的存在，并对现有的电子宇宙射线源进行了筛选。我们发现，必须引入临近电子宇宙射线源，才能正确的拟合现有的数据。进过研究我们发现，临近电子宇宙线的源可能为太阳系附件的超新星遗迹，其中Monogem 和Geminga是最有可能的候选体。. 第二个工作（Feng et al, JHEP03(2015)045）我们利用最新的Fermi 伽马射线线谱信号，对撞机上的higgs衰变数据和暗物质直接探测实验LUX的数据，对最简单也是讨论比较多的暗物质模型--单标量场暗物质模型的参数空间进行了限制。我们给出了当时最强的实验限制，为实验寻找该模型的信号提供了理论依据。. 第三个工作（Feng et al, Phys.Rev. D94 (2016) no.4, 043535 ）我们首次理论上解释了星系团伽马射线数据中存在疑似的线谱信号。伽马射线线谱是暗物质的指标性证据，一旦确认就标志这暗物质的发现。我们组发现在星系团中存在疑似的伽马射线线谱信号，在这一工作中我们首次对该信号进行了理论上的解释。为后续工作打下了接触。