物理与天文学院王仲翔研究员在暗物质粒子信号研究方面取得新进展

物理与天文学院王仲翔研究员和国内同行合作，近日在暗物质粒子现象研究方面取得新进展。其结果发表在国际天体物理研究杂志《宇宙与天体粒子物理杂志》(Journal of Cosmology and Astroparticle Physics)上；论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1475-7516/2021/08/007。

根据现有的天文观测结果和宇宙模型，宇宙中约80%的物质为暗物质。这些暗物质不同于我们通常能通过电磁波辐射探测到的物质，似乎只通过引力作用表现出它们的存在。关于它们的类别和存在形态成为当今天体物理和粒子物理研究中的一个核心问题。现多考虑两种类别的暗物质候选粒子，其一为类轴子（axion-like particles; 简称ALPs）。

类轴子被预言当它们在一定的外部磁场条件下，可以和光子发生耦合作用使得两者可以相互转化，形成被称为光子-类轴子振荡现象。这样，通过对振荡现象的搜寻研究，就可以探测到类轴子的存在并对类轴子的参数，比如质量，给出一定的限定。国际上，此类工作在广泛的进行中，既通过大型试验设备，又通过对宇宙中天体的多方面研究。

王仲翔和合作者们在一个耀变体的伽马射线能谱中，发现了一个置信度3σ、位于约7GeV处的窄谱线结构（见图一）。此谱线结构非常独特，是在已知的3000多颗伽马射线耀变体中的首次发现，并且不能被通用的耀变体辐射模型所解释。

图一：耀变体B0516-621的伽马射线能谱。在能谱约7GeV处，有谱线状结构（红点线），相比于连续谱（蓝实线）具有3σ显著度。此类窄谱线结构不能被耀变体通用辐射模型所解释。

图二：使用光子-类轴子耦合计算模型对谱线结构的拟合。左：拟合所给出的对类轴子质量（X轴）和类轴子-光子耦合参数（Y轴）的限制。左上角红虚线划定的长条（深蓝色）为所选出的参数区间。右：对谱线结构和整个连续谱拟合的展示。当固定类轴子质量，随着耦合参数的增大，光子-类轴子振荡呈现变宽和向左移动，使得拟合变差。这样只有在特定的质量和耦合参数区间内才能较好地拟合能谱（最上一条橙色线所示）。

通过一定的探索，王仲翔和合作者们发现此窄谱线结构能够用光子-类轴子振荡过程来解释。具体来说，此耀变体伽马射线辐射在靠近中心超大质量黑洞的地方被产生，在伽马光子沿黑洞喷流向外运动时，由于喷流磁场的存在，使得光子-类轴子振荡发生；这样，初始辐射的平滑能谱由于振荡变得不平滑，甚至能形成谱线结构（见图二右）。使用此物理模型，耀变体B0516-621的能谱谱线结构得到了解释，并且也对类轴子的质量和耦合参数给出了限制（见图二左）。

此工作由于是对耀变体类源高能能谱谱线结构的首次发现，并且可能是类轴子存在的间接观测证据，因此得到了国内外相关研究人员的广泛关注。

该工作第一作者是上海天文台周佳能（副研究员），通讯作者王仲翔，其他合作者有厦门大学天文系黄峰（副教授）和上海天文台陈亮（研究员）。工作得到国家重点研发计划和国家自然科学基金的支持。