1、背景

“悟空”号（DAMPE）卫星，相较于其它同类型的探测器，最大的优势在于其良好的能量分辨率，是目前国际上能量分辨率最高的GeV能段的宇宙射线及伽马射线探测设备^[1]。这样的优点使其适合被用来搜索精细的能谱结构^[2][3]。暗物质湮灭产生的伽马射线发射线，就是这样的一种精细能谱结构。

天文观测支持宇宙空间中存在大量的暗物质粒子。暗物质在宇宙中的湮灭或衰变有可能会产生能被我们所探测的标准模型粒子，例如宇宙线、伽马射线、中微子等，探测这些产物即可知晓暗物质是否真实存在以及知晓它们的粒子物理性质，此即暗物质间接探测。暗物质间接探测的一大难点在于与天体物理背景的区分。但存在这么一类信号，即暗物质直接湮灭或衰变为光子所产生的单能的伽马射线发射线，它们的存在是不被天体物理辐射机制所预期的，且易于与天体背景相区分，可靠地探测到这类信号将是暗物质/新物理存在的确凿证据。鉴于这些优点，这类信号是暗物质探测重点搜寻的对象之一。之前Fermi-LAT、HESS、MAGIC、HAWC等合作组均对伽马射线谱线开展过广泛的搜寻^[4][5]。上一年度我们已完成基于DAMPE数据的谱线搜寻工作一项^[3]，对发生于星系中心超大质量黑洞周围的高密度暗物质区的湮灭信号进行了搜寻，本年度的工作在此基础上进一步延伸。

2、研究工作

我们的工作即利用DAMPE卫星的光子数据，并联合Fermi-LAT的观测，来搜寻此类伽马射线发射线信号。我们采用5年的DAMPE以及13年的Fermi-LAT对银河系中心附近区域的观测数据，采用了基于最大似然分析的“滑动能量窗口”方法来进行信号搜寻。针对不同的暗物质分布模型，考虑了四种不同的分析区域。同时我们也对可能的系统效应进行了考虑（例如背景点源和不同数据类型对分析结果的影响），并利用银河系盘作为对照区域(control region)来估计了系统误差的大小。我们的分析没有搜索到显著的伽马射线谱线信号。基于这样的零结果，我们对暗物质直接湮灭或衰变到光子的截面或寿命给出了限制（图1）。

图1：DAMPE和Fermi-LAT联合分析给出的对暗物质直接湮灭（衰变）到光子的截面（寿命）的限制（95%置信水平）。相较于之前仅采用Fermi-LAT（蓝虚线）或仅采用DAMPE（红线）数据的分析，我们的结果（黑线）得到了很大的提升。四幅图对应不同的暗物质分布模型。

本工作相较于之前工作的重大创新点在于同时采用了DAMPE和Fermi-LAT的数据来进行此类搜索。据我们所知，这是首个联合了两个不同的伽马射线卫星观测数据的暗物质探测工作。联合分析有效地降低了仪器的系统误差，提升了结果的可靠性。同时得益于DAMPE的高能量分辨率，DAMPE数据的加入，显著降低了在单Fermi-LAT的数据分析中，由于考虑系统误差所带来的灵敏度丢失，得到了迄今最好的限制结果。

本研究成果以"Search for the gamma-ray spectral lines with the DAMPE and the Fermi-LAT observations"为题发表在《Physical Review D》期刊杂志上。

论文作者：程吉贵（博士研究生）、梁云峰（通讯作者）、梁恩维（通讯作者）。

论文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevD.108.063015

参考文献：

[1] J. Chang et al., The dark matter particle explorer mission, Astropart. Phys. 95, 6 (2017).

[2] F. Alemanno et al. (DAMPE Collaboration), Search for gamma-ray spectral lines with the dark matter particle explorer, Sci. Bull. 67, 679 (2022).

[3] T.-C. Liu, J.-G. Cheng, Y.-F. Liang, and E.-W. Liang, Search for gamma-ray line signals around the black hole at the Galactic Center with DAMPE observation, Sci. China Phys. Mech. Astron. 65, 269512 (2022).

[4] M. Ackermann et al., Updated search for spectral lines from Galactic dark matter interactions with pass 8 data from the Fermi Large Area Telescope, Phys. Rev. D 91, 122002 (2015).

[5] H. Abdallah et al. (HESS Collaboration), Search for Gamma-Ray Line Signals from Dark Matter Annihilations in the Inner Galactic Halo from 10 Years of Observations with H.E.S.S., Phys. Rev. Lett. 120, 201101 (2018).