(Abridged) The Large Area Telescope (Fermi/LAT, hereafter LAT), the primary instrument on the Fermi Gamma-ray Space Telescope (Fermi) mission, is an imaging, wide field-of-view, high-energy gamma-ray telescope, covering the energy range from below 20 MeV to more than 300 GeV. This paper describes the LAT, its pre-flight expected performance, and summarizes the key science objectives that will be addressed. On-orbit performance will be presented in detail in a subsequent paper. The LAT is a pair-conversion telescope with a precision tracker and calorimeter, each consisting of a 4x4 array of 16 modules, a segmented anticoincidence detector that covers the tracker array, and a programmable trigger and data acquisition system. Each tracker module has a vertical stack of 18 x,y tracking planes, including two layers (x and y) of single-sided silicon strip detectors and high-Z converter material (tungsten) per tray. Every calorimeter module has 96 CsI(Tl) crystals, arranged in an 8 layer hodoscopic configuration with a total depth of 8.6 radiation lengths. The aspect ratio of the tracker (height/width) is 0.4 allowing a large field-of-view (2.4 sr). Data obtained with the LAT are intended to (i) permit rapid notification of high-energy gamma-ray bursts (GRBs) and transients and facilitate monitoring of variable sources, (ii) yield an extensive catalog of several thousand high-energy sources obtained from an all-sky survey, (iii) measure spectra from 20 MeV to more than 50 GeV for several hundred sources, (iv) localize point sources to 0.3 - 2 arc minutes, (v) map and obtain spectra of extended sources such as SNRs, molecular clouds, and nearby galaxies, (vi) measure the diffuse isotropic gamma-ray background up to TeV energies, and (vii) explore the discovery space for dark matter.

The dwarf spheroidal satellite galaxies (dSphs) of the Milky Way are some of the most dark matter (DM) dominated objects known. We report on gamma-ray observations of Milky Way dSphs based on 6 years of Fermi Large Area Telescope data processed with the new Pass 8 event-level analysis. None of the dSphs are significantly detected in gamma rays, and we present upper limits on the DM annihilation cross section from a combined analysis of 15 dSphs. These constraints are among the strongest and most robust to date and lie below the canonical thermal relic cross section for DM of mass $\lesssim$ 100 GeV annihilating via quark and $\tau$-lepton channels.

The dwarf spheroidal satellite galaxies of the Milky Way are some of the most dark-matter-dominated objects known. Due to their proximity, high dark matter content, and lack of astrophysical backgrounds, dwarf spheroidal galaxies are widely considered to be among the most promising targets for the indirect detection of dark matter via $\ensuremath{\gamma}$ rays. Here we report on $\ensuremath{\gamma}$-ray observations of 25 Milky Way dwarf spheroidal satellite galaxies based on 4 years of Fermi Large Area Telescope (LAT) data. None of the dwarf galaxies are significantly detected in $\ensuremath{\gamma}$ rays, and we present $\ensuremath{\gamma}$-ray flux upper limits between 500 MeV and 500 GeV. We determine the dark matter content of 18 dwarf spheroidal galaxies from stellar kinematic data and combine LAT observations of 15 dwarf galaxies to constrain the dark matter annihilation cross section. We set some of the tightest constraints to date on the annihilation of dark matter particles with masses between 2 GeV and 10 TeV into prototypical standard model channels. We find these results to be robust against systematic uncertainties in the LAT instrument performance, diffuse $\ensuremath{\gamma}$-ray background modeling, and assumed dark matter density profile.

Dark matter in the Milky Way may annihilate directly into gamma rays, producing a monoenergetic spectral line. Therefore, detecting such a signature would be strong evidence for dark matter annihilation or decay. We search for spectral lines in the Fermi Large Area Telescope observations of the Milky Way halo in the energy range 200 MeV to 500 GeV using analysis methods from our most recent line searches. The main improvements relative to previous works are our use of 5.8 years of data reprocessed with the Pass 8 event-level analysis and the additional data resulting from the modified observing strategy designed to increase exposure of the Galactic center region. We searched in five sky regions selected to optimize sensitivity to different theoretically-motivated dark matter scenarios and find no significant detections. In addition to presenting the results from our search for lines, we also investigate the previously reported tentative detection of a line at 133 GeV using the new Pass 8 data.

Pulsars are rapidly-rotating, highly-magnetized neutron stars emitting radiation across the electromagnetic spectrum. Although there are more than 1800 known radio pulsars, until recently, only seven were observed to pulse in gamma rays and these were all discovered at other wavelengths. The Fermi Large Area Telescope makes it possible to pinpoint neutron stars through their gamma-ray pulsations. We report the detection of 16 gamma-ray pulsars in blind frequency searches using the LAT. Most of these pulsars are coincident with previously unidentified gamma-ray sources, and many are associated with supernova remnants. Direct detection of gamma-ray pulsars enables studies of emission mechanisms, population statistics and the energetics of pulsar wind nebulae and supernova remnants.

ABSTRACT We search for excess γ -ray emission coincident with the positions of confirmed and candidate Milky Way satellite galaxies using six years of data from the Fermi Large Area Telescope (LAT). Our sample of 45 stellar systems includes 28 kinematically confirmed dark-matter-dominated dwarf spheroidal galaxies (dSphs) and 17 recently discovered systems that have photometric characteristics consistent with the population of known dSphs. For each of these targets, the relative predicted γ -ray flux due to dark matter annihilation is taken from kinematic analysis if available, and estimated from a distance-based scaling relation otherwise, assuming that the stellar systems are DM-dominated dSphs. LAT data coincident with four of the newly discovered targets show a slight preference (each 2 σ local) for γ -ray emission in excess of the background. However, the ensemble of derived γ -ray flux upper limits for individual targets is consistent with the expectation from analyzing random blank-sky regions, and a combined analysis of the population of stellar systems yields no globally significant excess (global significance ). Our analysis has increased sensitivity compared to the analysis of 15 confirmed dSphs by Ackermann et al. The observed constraints on the DM annihilation cross section are statistically consistent with the background expectation, improving by a factor of ∼2 for large DM masses ( and ) and weakening by a factor of ∼1.5 at lower masses relative to previously observed limits.

We report on the search for spectral irregularities induced by oscillations between photons and axionlike-particles (ALPs) in the γ-ray spectrum of NGC 1275, the central galaxy of the Perseus cluster. Using 6 years of Fermi Large Area Telescope data, we find no evidence for ALPs and exclude couplings above 5×10^{-12} GeV^{-1} for ALP masses 0.5≲m_{a}≲5 neV at 95% confidence. The limits are competitive with the sensitivity of planned laboratory experiments, and, together with other bounds, strongly constrain the possibility that ALPs can reduce the γ-ray opacity of the Universe.

Due to their proximity, high dark-matter (DM) content, and apparent absence of non-thermal processes, Milky Way dwarf spheroidal satellite galaxies (dSphs) are excellent targets for the indirect detection of DM. Recently, eight new dSph candidates were discovered using the first year of data from the Dark Energy Survey (DES). We searched for gamma-ray emission coincident with the positions of these new objects in six years of Fermi Large Area Telescope data. We found no significant excesses of gamma-ray emission. Under the assumption that the DES candidates are dSphs with DM halo properties similar to the known dSphs, we computed individual and combined limits on the velocity-averaged DM annihilation cross section for these new targets. If the estimated DM content of these dSph candidates is confirmed, they will constrain the annihilation cross section to lie below the thermal relic cross section for DM particles with masses annihilating via the or τ+τ− channels.