發(fā)布時間：2020-11-19 23:16

　　 目前已經(jīng)有很多觀測證據(jù)表明,宇宙中存在著大量暗物質(zhì),其能量密度占據(jù)了目前宇宙總能量密度的四分之一。根據(jù)高精度的數(shù)值模擬和引力透鏡觀測,我們已經(jīng)對從矮星系到星系團中的暗物質(zhì)空間分布有了較好的理解。但是對于暗物質(zhì)究竟是什么,我們還一無所知。由此,物理學(xué)家提出了很多假想的粒子模型。其中比較著名的粒子模型有,弱相互作用大質(zhì)量粒子(WIMPs)、軸子和類軸子(ALPs)。弱相互作用大質(zhì)量粒子只存在弱相互作用和引力相互作用,可以相互湮滅(或者衰變)成穩(wěn)定的高能粒子,包括伽馬光子、帶電粒子和中微子。從而使我們可以通過探測其湮滅(或者衰變)產(chǎn)生的高能粒子來間接探測弱相互作用大質(zhì)量粒子。軸子和類軸子(ALPS)可以在電磁場中與光子相互轉(zhuǎn)化,這一特性使得我們可以通過尋找伽馬射線能譜中光子-類軸子震蕩結(jié)構(gòu)來間接探測類軸子。本文中的研究主要是利用公開的Fermi-LAT數(shù)據(jù)和已發(fā)表的H.E.S.S.能譜數(shù)據(jù),對暗物質(zhì)粒子(軸子和類軸子、弱相互作用大質(zhì)量粒子)進(jìn)行間接探測。銀河系中廣泛存在著磁場,因此在河內(nèi)源的能譜中可能存在著由光子和類軸子相互轉(zhuǎn)化而形成的震蕩結(jié)構(gòu)。首先我們利用Fermi-LAT對三個明亮超新星遺跡的觀測,來尋找這樣光子-類軸子震蕩信號。我們在IC443的能譜中找到了疑似的震蕩結(jié)構(gòu),但是其對應(yīng)的類軸子參數(shù)空間已經(jīng)被太陽軸子望遠(yuǎn)鏡CAST排除。然后我們選取了 10個明亮的河內(nèi)TeV源,利用H.E.S.S.發(fā)表的能譜數(shù)據(jù),限制了類軸子的參數(shù)空間。這是首次利用天文觀測數(shù)據(jù)在高質(zhì)量區(qū)域(100 neV)對TeV transparency理論預(yù)言的類軸子參數(shù)空間進(jìn)行排除。我們還利用Fermi-LAT伽馬射線觀測,搜尋了暗物質(zhì)子暈結(jié)構(gòu)。目前有大量數(shù)值模擬的結(jié)果顯示,像銀河系這樣的星系中存在大量的暗物質(zhì)子暈結(jié)構(gòu)。暗物質(zhì)粒子可以湮滅或者衰變產(chǎn)生伽馬射線。因此質(zhì)量足夠大且距我們足夠近的暗物質(zhì)子暈,可能會以穩(wěn)定的延展伽馬射線源出現(xiàn),同時沒有其它波段的對應(yīng)天體。以此為標(biāo)準(zhǔn),我們找到了一個可能的暗物質(zhì)子暈候選者3FGL J1924.8-1034,但是由于Fermi-LAT角分辨率的局限,我們不能排除它是由兩個(及以上)鄰近點源組成的可能。由于高的質(zhì)光比,矮橢球星系一直被認(rèn)為是暗物質(zhì)間接探測的理想目標(biāo)。我們搜尋了銀河系附近矮橢球星系的伽馬射線輻射,來探測暗物質(zhì)信號。分析發(fā)現(xiàn)來自Reticulum Ⅱ方向的伽馬射線信號是隨時間穩(wěn)步增長的。隨后我們對所有目標(biāo)源進(jìn)行了聯(lián)合分析,得到的聯(lián)合伽馬射線信號已經(jīng)超過了4σ的局域置信度。在暗物質(zhì)間接探測中,一個主要的困難來自于如何把暗物質(zhì)湮滅或衰變產(chǎn)物的信號從天體物理背景中分離出。如果是搜尋其湮滅或者衰變最終產(chǎn)物的可能的特征能譜,像線譜和箱型能譜,在這方面遇到的困難就要小一些,因為通常的天體物理輻射過程難以出現(xiàn)這種特殊結(jié)構(gòu)的能譜。在本文的工作中,我們還利用了Fermi-LAT數(shù)據(jù)來搜尋暗物質(zhì)粒子可能產(chǎn)生的特征能譜(包括線譜和箱型能譜)的信號。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：P145.9;P172.3
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第1章 引言
    1.1 暗物質(zhì)簡介
        1.1.1 暗物質(zhì)的觀測證據(jù)
        1.1.2 暗物質(zhì)粒子的性質(zhì)及候選者
    1.2 軸子及類軸子的探測
        1.2.1 探測原理
        1.2.2 軸子太陽望遠(yuǎn)鏡
        1.2.3 軸子暗物質(zhì)暈望遠(yuǎn)鏡
        1.2.4 光穿墻實驗
        1.2.5 天文觀測
    1.3 伽馬射線望遠(yuǎn)鏡
        1.3.1 Fermi-LAT太空望遠(yuǎn)鏡
        1.3.2 H.E.S.S.望遠(yuǎn)鏡
        1.3.3 CTA望遠(yuǎn)鏡
        1.3.4 DAMPE望遠(yuǎn)鏡
第2章 利用Fermi-LAT對超新星遺跡的觀測搜尋類軸子
    2.1 目標(biāo)源的選擇
    2.2 在銀河系磁場中的光子-類軸子震蕩
        2.2.1 光子存活率
        2.2.2 銀河系磁場
    2.3 數(shù)據(jù)分析
        2.3.1 Fermi-LAT數(shù)據(jù)處理
        2.3.2 卡方分析
    2.4 類軸子搜尋結(jié)果
    2.5 系統(tǒng)不確定性
        2.5.1 數(shù)據(jù)分區(qū)間的方式
        2.5.2 儀器的性能表現(xiàn)
        2.5.3 河內(nèi)彌散背景
        2.5.4 銀河系磁場模型
        2.5.5 本征能譜模型
    2.6 本章小結(jié)
第3章 利用河內(nèi)源的TeV觀測限制類軸子參數(shù)
    3.1 TeV光子光深偏低現(xiàn)象
    3.2 目標(biāo)源及觀測能譜
    3.3 磁場模型
        3.3.1 銀河系磁場模型
        3.3.2 源的磁場
    3.4 數(shù)據(jù)分析
        3.4.1 能譜模型
        3.4.2 卡方擬合
    3.5 搜尋結(jié)果與限制
    3.6 相關(guān)討論
        3.6.1 閾值與蒙特卡羅模擬
        3.6.2 驗證擬合方法
        3.6.3 相關(guān)系統(tǒng)不確定性
        3.6.4 目標(biāo)源在時間或者空間上的能譜變化
    3.7 CTA預(yù)期的探測敏感度
    3.8 本章小結(jié)
第4章 基于Fermi-LAT數(shù)據(jù)的暗物質(zhì)子暈搜尋
    4.1 研究背景
    4.2 暗物質(zhì)子暈候選者的搜尋
    4.3 數(shù)據(jù)分析及結(jié)果
        4.3.1 Fermi-LAT數(shù)據(jù)處理
        4.3.2 空間延展性
        4.3.3 光變
        4.3.4 能譜
    4.4 鄰近點源的混淆
    4.5 暗物質(zhì)子暈的研究
    4.6 本章小結(jié)
第5章 基于Fermi-LAT數(shù)據(jù)的其它工作
    5.1 其它暗物質(zhì)間接探測研究
        5.1.1 矮橢球星系中的暗物質(zhì)連續(xù)譜信號搜尋
        5.1.2 銀河系衛(wèi)星星系中的暗物質(zhì)線譜信號搜尋
        5.1.3 暗物質(zhì)子暈中的暗物質(zhì)線譜信號搜尋
        5.1.4 矮橢球星系中的暗物質(zhì)箱型譜信號搜尋
    5.2 高能天體物理的相關(guān)工作
        5.2.1 搜尋M33的伽馬射線輻射
        5.2.2 高紅移blazar的光變研究
第6章 結(jié)語
    6.1 總結(jié)
    6.2 展望
參考文獻(xiàn)
致謝
在讀期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與取得的研究成果

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本文編號：2890575