重大突破

　　天文学家已在各种不同的观测中表明宇宙需要一种不可见的能够提供引力的物质，即暗物质。弱相互作用大质量粒子（WIMP）是暗物质粒子模型中的一个重要候选者，一些模型预言WIMP暗物质粒子湮灭或者衰变可以形成GeV-TeV能区的谱线。来自于天体物理过程的高能辐射与带电的宇宙线粒子相关，因为加速和能损的过程通常不会集中于某一个能量，因此天体物理过程产生的伽马射线辐射是一个连续谱。假若我们在伽马射线能区发现一条线谱，那将预示着某种来自于暗物质或新物理的未知过程。正因如此，天文界积极开展线谱搜寻工作。近10年来，科学家们主要利用费米卫星观测的银河系中心、星系团和矮星系等多个区域的伽马射线数据搜寻GeV-TeV的线谱，限制了暗物质的参数空间。 

　　对于线谱搜寻，探测器的能量分辨率是一个关键因素。高能量分辨一方面使潜在的信号更为凸显，另一方面也会显著降低系统误差的影响。费米卫星虽然具有大的接受度，但是它的能量分辨率大于6%。相比之下，“悟空”号暗物质粒子探测卫星的最佳能量分辨率优于1%，居于世界领先地位，在线谱搜寻方面具有独特的优势。为了进一步提升线谱搜寻的灵敏度，“悟空”号合作组在分析方法上有重要创新：第一、构造了一个与线谱灵敏度相关的探测器参数，根据参数优化光子挑选策略获得了线谱灵敏度最优的数据；第二、挑选出在量能器内转化的光子事例，并将它们纳入到数据分析中。 

图1. “悟空”卫星对暗物质湮灭到双光子通道的截面上限（左）和衰变到光子、中微子的衰变寿命下限（右） 

　　基于前5年的观测数据，“悟空”号合作组在10 GeV到300 GeV的能区内进行了线谱信号搜寻，对暗物质湮灭截面的上限和衰变寿命予以了强的限制。如图1所示，“悟空”号在接受度只有费米卫星的1/10的条件下获得了和费米卫星相当的限制水平。在暗物质衰变情形，“悟空”号在100GeV以下能区比费米卫星强1倍左右。该结果证明了高能量分辨探测器在暗物质搜寻方面的发现潜力。 

　　该工作是“悟空”号暗物质粒子探测卫星的首个伽马射线数据分析结果，目前在线发表于综合类学术期刊《Science Bulletin》。“悟空”号合作组由来自三个国家超过140名科学家和工程师组成。该工作获得了科技部重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、中国科学院的支持， 论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2095927321007672