基于伽马射线的类轴子粒子探测及暗物质子晕搜寻研究

发布时间：2020-11-19 23:16

　　目前已经有很多观测证据表明,宇宙中存在着大量暗物质,其能量密度占据了目前宇宙总能量密度的四分之一。根据高精度的数值模拟和引力透镜观测,我们已经对从矮星系到星系团中的暗物质空间分布有了较好的理解。但是对于暗物质究竟是什么,我们还一无所知。由此,物理学家提出了很多假想的粒子模型。其中比较著名的粒子模型有,弱相互作用大质量粒子(WIMPs)、轴子和类轴子(ALPs)。弱相互作用大质量粒子只存在弱相互作用和引力相互作用,可以相互湮灭(或者衰变)成稳定的高能粒子,包括伽马光子、带电粒子和中微子。从而使我们可以通过探测其湮灭(或者衰变)产生的高能粒子来间接探测弱相互作用大质量粒子。轴子和类轴子(ALPS)可以在电磁场中与光子相互转化,这一特性使得我们可以通过寻找伽马射线能谱中光子-类轴子震荡结构来间接探测类轴子。本文中的研究主要是利用公开的Fermi-LAT数据和已发表的H.E.S.S.能谱数据,对暗物质粒子(轴子和类轴子、弱相互作用大质量粒子)进行间接探测。银河系中广泛存在着磁场,因此在河内源的能谱中可能存在着由光子和类轴子相互转化而形成的震荡结构。首先我们利用Fermi-LAT对三个明亮超新星遗迹的观测,来寻找这样光子-类轴子震荡信号。我们在IC443的能谱中找到了疑似的震荡结构,但是其对应的类轴子参数空间已经被太阳轴子望远镜CAST排除。然后我们选取了 10个明亮的河内TeV源,利用H.E.S.S.发表的能谱数据,限制了类轴子的参数空间。这是首次利用天文观测数据在高质量区域(100 neV)对TeV transparency理论预言的类轴子参数空间进行排除。我们还利用Fermi-LAT伽马射线观测,搜寻了暗物质子晕结构。目前有大量数值模拟的结果显示,像银河系这样的星系中存在大量的暗物质子晕结构。暗物质粒子可以湮灭或者衰变产生伽马射线。因此质量足够大且距我们足够近的暗物质子晕,可能会以稳定的延展伽马射线源出现,同时没有其它波段的对应天体。以此为标准,我们找到了一个可能的暗物质子晕候选者3FGL J1924.8-1034,但是由于Fermi-LAT角分辨率的局限,我们不能排除它是由两个(及以上)邻近点源组成的可能。由于高的质光比,矮椭球星系一直被认为是暗物质间接探测的理想目标。我们搜寻了银河系附近矮椭球星系的伽马射线辐射,来探测暗物质信号。分析发现来自Reticulum Ⅱ方向的伽马射线信号是随时间稳步增长的。随后我们对所有目标源进行了联合分析,得到的联合伽马射线信号已经超过了4σ的局域置信度。在暗物质间接探测中,一个主要的困难来自于如何把暗物质湮灭或衰变产物的信号从天体物理背景中分离出。如果是搜寻其湮灭或者衰变最终产物的可能的特征能谱,像线谱和箱型能谱,在这方面遇到的困难就要小一些,因为通常的天体物理辐射过程难以出现这种特殊结构的能谱。在本文的工作中,我们还利用了Fermi-LAT数据来搜寻暗物质粒子可能产生的特征能谱(包括线谱和箱型能谱)的信号。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：P145.9;P172.3
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章引言
    1.1 暗物质简介
        1.1.1 暗物质的观测证据
        1.1.2 暗物质粒子的性质及候选者
    1.2 轴子及类轴子的探测
        1.2.1 探测原理
        1.2.2 轴子太阳望远镜
        1.2.3 轴子暗物质晕望远镜
        1.2.4 光穿墙实验
        1.2.5 天文观测
    1.3 伽马射线望远镜
        1.3.1 Fermi-LAT太空望远镜
        1.3.2 H.E.S.S.望远镜
        1.3.3 CTA望远镜
        1.3.4 DAMPE望远镜
第2章利用Fermi-LAT对超新星遗迹的观测搜寻类轴子
    2.1 目标源的选择
    2.2 在银河系磁场中的光子-类轴子震荡
        2.2.1 光子存活率
        2.2.2 银河系磁场
    2.3 数据分析
        2.3.1 Fermi-LAT数据处理
        2.3.2 卡方分析
    2.4 类轴子搜寻结果
    2.5 系统不确定性
        2.5.1 数据分区间的方式
        2.5.2 仪器的性能表现
        2.5.3 河内弥散背景
        2.5.4 银河系磁场模型
        2.5.5 本征能谱模型
    2.6 本章小结
第3章利用河内源的TeV观测限制类轴子参数
    3.1 TeV光子光深偏低现象
    3.2 目标源及观测能谱
    3.3 磁场模型
        3.3.1 银河系磁场模型
        3.3.2 源的磁场
    3.4 数据分析
        3.4.1 能谱模型
        3.4.2 卡方拟合
    3.5 搜寻结果与限制
    3.6 相关讨论
        3.6.1 阈值与蒙特卡罗模拟
        3.6.2 验证拟合方法
        3.6.3 相关系统不确定性
        3.6.4 目标源在时间或者空间上的能谱变化
    3.7 CTA预期的探测敏感度
    3.8 本章小结
第4章基于Fermi-LAT数据的暗物质子晕搜寻
    4.1 研究背景
    4.2 暗物质子晕候选者的搜寻
    4.3 数据分析及结果
        4.3.1 Fermi-LAT数据处理
        4.3.2 空间延展性
        4.3.3 光变
        4.3.4 能谱
    4.4 邻近点源的混淆
    4.5 暗物质子晕的研究
    4.6 本章小结
第5章基于Fermi-LAT数据的其它工作
    5.1 其它暗物质间接探测研究
        5.1.1 矮椭球星系中的暗物质连续谱信号搜寻
        5.1.2 银河系卫星星系中的暗物质线谱信号搜寻
        5.1.3 暗物质子晕中的暗物质线谱信号搜寻
        5.1.4 矮椭球星系中的暗物质箱型谱信号搜寻
    5.2 高能天体物理的相关工作
        5.2.1 搜寻M33的伽马射线辐射
        5.2.2 高红移blazar的光变研究
第6章结语
    6.1 总结
    6.2 展望
参考文献
致谢
在读期间发表的学术论文与取得的研究成果

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