Search for Dark Matter Annihilation Signals from Unidentified Fermi-LAT Objects with H.E.S.S.
Authors: Abdalla H. , Aharonian F. , Ait Benkhali F. , Angüner E. O. , Arcaro C. , Armand C. , Armstrong T. , Ashkar H. , Backes M. , Baghmanyan V. , Barbosa-Martins V. , Barnacka A. , Barnard M. , Becherini Y. , Berge D. , Bernlöhr K. , Bi B. , Böttcher M. , Boisson C. , Bolmont J. , de Bony de Lavergne M. , Breuhaus M. , Brose R. , Brun F. , Bulik T. , Bylund T. , Cangemi F. , Caroff S. , Casanova S. , Chambery P. , Catalano J. , Chand T. , Chen A. , Cotter G. , Curyło M. , Dalgleish H. , Mbarubucyeye J. Damascene , Davids I. D. , Davies J. , Devin J. , Djannati-Ataï A. , Dmytriiev A. , Donath A. , Doroshenko V. , Dreyer L. , du Plessis L. , Duffy C. , Egberts K. , Einecke S. , Emery G. , Ernenwein J.-P. , Feijen K. , Fegan S. , Fiasson A. , de Clairfontaine G. Fichet , Fontaine G. , Funk S. , Füssling M. , Gabici S. , Gallant Y. A. , Ghafourizade S. , Giavitto G. , Giunti L. , Glawion D. , Glicenstein J. F. , Grondin M.-H. , Hattingh S. , Haupt M. , Hermann G. , Hinton J. A. , Hofmann W. , Hoischen C. , Holch T. L. , Holler M. , Hörbe M. , Horns D. , Huang Z. , Huber D. , Jamrozy M. , Jankowsky D. , Jankowsky F. , Joshi V. , Jung-Richardt I. , Kasai E. , Katarzyński K. , Katz U. , Khangulyan D. , Khélifi B. , Klepser S. , Kluźniak W. , Komin Nu. , Konno R. , Kosack K. , Kostunin D. , Kreter M. , Kukec Mezek G. , Kundu A. , Lamanna G. , Le Stum S. , Lemière A. , Lemoine-Goumard M. , Lenain J.-P. , Leuschner F. , Levy C. , Luashvili A. , Lohse T. , Lypova I. , Mackey J. , Majumdar J. , Malyshev D. , Malyshev D. , Marandon V. , Marchegiani P. , Marcowith A. , Mares A. , Martí-Devesa G. , Marx R. , Maurin G. , Meintjes P. J. , Meyer M. , Mitchell A. , Moderski R. , Mohrmann L. , Montanari A. , Moore C. , Morris P. , Moulin E. , Muller J. , Murach T. , Nakashima K. , Nayerhoda A. , de Naurois M. , Ndiyavala H. , Niemiec J. , Noel A. , Oberholzer L. , O’Brien P. , Ohm S. , Olivera-Nieto L. , de Ona Wilhelmi E. , Ostrowski M. , Panter M. , Panny S. , Parsons R. D. , Peron G. , Pita S. , Poireau V. , Prokhorov D. A. , Prokoph H. , Pühlhofer G. , Punch M. , Quirrenbach A. , Reichherzer P. , Reimer A. , Reimer O. , Remy Q. , Renaud M. , Rieger F. , Romoli C. , Rowell G. , Rudak B. , Rueda Ricarte H. , Ruiz-Velasco E. , Sahakian V. , Sailer S. , Salzmann H. , Sanchez D. A. , Santangelo A. , Sasaki M. , Schäfer J. , Schüssler F. , Schutte H. M. , Schwanke U. , Senniappan M. , Seyffert A. S. , Shapopi J. N. S. , Shiningayamwe K. , Simoni R. , Sinha A. , Spackman H. , Sol H. , Specovius A. , Spencer S. , Spir-Jacob M. , Stawarz Ł. , Sun L. , Steenkamp R. , Stegmann C. , Steinmassl S. , Steppa C. , Takahashi T. , Tanaka T. , Tavernier T. , Taylor A. M. , Terrier R. , Thorpe-Morgan C. , Thiersen J. H. E. , Tluczykont M. , Tomankova L. , Tsirou M. , Tsuji M. , Tuffs R. , Uchiyama Y. , van der Walt D. J. , van Eldik C. , van Rensburg C. , van Soelen B. , Vasileiadis G. , Veh J. , Venter C. , Vincent P. , Viana A. , Vink J. , Völk H. J. , Wagner S. J. , Werner F. , White R. , Wierzcholska A. , Wong Yu Wun , Yassin H. , Yusafzai A. , Zacharias M. , Zanin R. , Zargaryan D. , Zdziarski A. A. , Zech A. , Zhu S. J. , Zmija A. , Zorn J. , Zouari S. , Żywucka N. ,   (H.E.S.S. Collaboration)
Published: August 2021

Cosmological N-body simulations show that Milky Way–sized galaxies harbor a population of unmerged dark matter (DM) subhalos. These subhalos could shine in gamma-rays and eventually be detected in gamma-ray surveys as unidentified sources. We performed a thorough selection among unidentified Fermi-Large Area Telescope Objects (UFOs) to identify them as possible tera-electron-volt-scale DM subhalo candidates. We search for very-high-energy (E ≳ 100 GeV) gamma-ray emissions using H.E.S.S. observations toward four selected UFOs. Since no significant very-high-energy gamma-ray emission is detected in any data set of the four observed UFOs or in the combined UFO data set, strong constraints are derived on the product of the velocity-weighted annihilation cross section 〈σ
v〉 by the J factor for the DM models. The 95% confidence level observed upper limits derived from combined H.E.S.S. observations reach 〈σ
v〉J values of 3.7 × 10−5 and 8.1 × 10−6 GeV2 cm−2 s−1 in the W
+
W
− and τ
+
τ
− channels, respectively, for a 1 TeV DM mass. Focusing on thermal weakly interacting massive particles, the H.E.S.S. constraints restrict the J factors to lie in the range 6.1 × 1019–2.0 × 1021 GeV2 cm−5 and the masses to lie between 0.2 and 6 TeV in the W
+
W
− channel. For the τ
+
τ
− channel, the J factors lie in the range 7.0 × 1019–7.1 × 1020 GeV2 cm−5 and the masses lie between 0.2 and 0.5 TeV. Assuming model-dependent predictions from cosmological N-body simulations on the J-factor distribution for Milky Way–sized galaxies, the DM models with masses >0.3 TeV for the UFO emissions can be ruled out at high confidence level.