LHAASO實(shí)驗(yàn)給出重暗物質(zhì)粒子相互作用屬性的最強(qiáng)限制
高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）合作組對重暗物質(zhì)粒子所產(chǎn)生的高能伽馬射線信號進(jìn)行搜尋并給出暗物質(zhì)粒子性質(zhì)最嚴(yán)格的限制。該研究成果“Constraints on Ultraheavy Dark Matter Properties from Dwarf Spheroidal Galaxies with LHAASO Observations”于2024年8月7日在《物理評論快報(bào)》（Physical Review Letters)發(fā)表，并被選為編輯推薦論文。
LHAASO實(shí)驗(yàn)對重暗物質(zhì)粒子產(chǎn)生的信號有非常高的靈敏度，可以覆蓋從一電子伏特到一百萬太電子伏特的質(zhì)量范圍。本研究工作搜尋暗物質(zhì)粒子的目標(biāo)區(qū)域是銀河系附近的16個(gè)矮星系（dwarf galaxies）。矮星系是被銀河系引力所束縛的小星系，也稱為衛(wèi)星星系，普通物質(zhì)含量少，天體活動非常微弱，現(xiàn)有理論認(rèn)為其主要成分由暗物質(zhì)組成，是搜尋暗物質(zhì)粒子的理想對象。LHAASO通過探測暗物質(zhì)粒子相互碰撞并湮滅產(chǎn)生出的伽馬射線來尋找它們的蹤跡。由于LHAASO并沒有發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)所產(chǎn)生信號，表明暗物質(zhì)之間的相互作用非常微弱，進(jìn)而對質(zhì)量大于10 TeV的暗物質(zhì)粒子屬性給出最強(qiáng)烈的限制。
暗物質(zhì)是天文觀測發(fā)現(xiàn)的存在于宇宙中的一種不發(fā)光的神秘物質(zhì)，占宇宙中物質(zhì)組成的85%，但暗物質(zhì)至今還沒有被直接探測到，直接探測暗物質(zhì)是當(dāng)前物理學(xué)和天文學(xué)共同關(guān)注的重大課題。在過去的20年間，世界上開展了一系列搜尋暗物質(zhì)粒子的大型實(shí)驗(yàn)，集中搜索質(zhì)量在0.1太電子伏特（TeV，1012電子伏特）附近的暗物質(zhì)粒子。
該工作由中國科學(xué)院高能物理研究所的畢效軍研究員、紫金山天文臺的黃曉淵研究員及山東大學(xué)的祝成光教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)合作完成。
文章鏈接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.133.061001
圖：LHAASO的觀測結(jié)果排除了黑線以上的暗物質(zhì)湮滅反應(yīng)截面，換句話說，如果暗物質(zhì)存在的話，其湮滅的幾率一定要小于黑線所對應(yīng)的數(shù)值。橫坐標(biāo)代表暗物質(zhì)質(zhì)量，縱坐標(biāo)代表暗物質(zhì)湮滅產(chǎn)生伽馬射線的反應(yīng)截面，也就是湮滅的幾率。不同顏色的虛線是其他實(shí)驗(yàn)給出的限制，可見LHAASO在約10TeV以上的高質(zhì)量區(qū)給出了最強(qiáng)烈的限制。左圖和右圖分別給出了兩個(gè)代表性的暗物質(zhì)粒子的湮滅的反應(yīng)過程的分析結(jié)果。
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