探測暗物質的設想

1、探測暗物質的設想陳國明中科院高能所2005年2月1日2022/8/261 暗物質有多個候選者,這里只想驗證: 最小超對稱粒子, neutralino, 是否就是暗物質2022/8/262的相互作用散射: q q 湮滅線： :E= m Z: E= m（1-mz2/4 m2）連續(xù)譜：f fbar, WW, ZZ, ZH, 反質子、正電子和（來自0）在與 m 相關的某個區(qū)域出現(xiàn)抬高2022/8/263通過湮滅線探測暗物質由于加速機制和氣體塵埃的分布不很清楚，連續(xù)譜如果出現(xiàn)整體抬高會有很多解釋，而湮滅線則是決定性的，因此建議通過湮滅線來探測暗物質。2022/8/264 的質量和湮滅截面質量的不確定性

2、30GeVm340TeV，30GeV以下已被實驗排除。的湮滅截面的理論計算取決于參數(shù)的選取。2022/8/265的分布MooreNFW2022/8/266子結構成團過程 畢效軍提供2022/8/267探測湮滅線的要求能量分辨高視野寬面積大粒子識別能力強 有效幾何因子=視野x面積x效率2022/8/268地面探測:切侖柯夫望遠鏡能區(qū) :10GeV10TeV能量分辨: 大約15% /p分辨: 10-210-3/e分辨: 不能視野 : 約為3o ,只能定點探測面積 : 大探測時間: 晴好無月的夜晚2022/8/269地面探測:廣延大氣簇射陣列 我國羊八井的ARGO可以說是其代表，對于暗物質探測，其優(yōu)

3、點是: 面積大; 視野寬; 可采用巡天模式, blind search 缺點是: /p的區(qū)分較差，約為10-1， /e 不分，能量分辨差(100%)，能量的刻度困難.2022/8/2610地面探測小結切侖柯夫望遠鏡: 不能作blind search廣延大氣簇射陣列:不能測湮滅線2022/8/2611太空實驗:GLAST既能作blind search,又能測量湮滅線(能量分辨12%)但僅限于300GeV 以下2sr2022/8/2612太空實驗:AMS02通過反質子、正電子的能譜探測暗物質GF: 0.5 m2sr能區(qū): 1GeV2TeV通過湮滅線來探測暗物質 GF: 0.12 m2sr能區(qū): 1

4、GeV2TeV能量分辨: 3% 2022/8/2613太空實驗:CALET通過湮滅線來探測暗物質 GF:2sr能區(qū): 20MeV-20TeV2022/8/2614太空實驗小結既能作blind search(大視野,巡天)又能測量湮滅線(能量分辨高)關鍵在于 幾何因子2022/8/2615國內實驗基礎分析 地面: 切侖柯夫望遠鏡, 沒有基礎; 廣延大氣簇射陣列,羊八井 太空: 高能所參加AMS合作,設計制作 電磁量能器; 紫臺參加ATIC, CALET合作2022/8/2616設想一在太空觀測湮滅線能量分辨:5%能區(qū):30GeV300TeV幾何因子: 10m2sr 比GLAST大10倍 比CAL

5、ET大20倍 比AMS02大100倍重量: 在發(fā)射能力以內2022/8/2617探測器的概念設計 1.65m*0.65m 25 . 5m2sr 5000kg HEGARD (High Energy Gamma ray Detector) 2022/8/2618量能器構造25層13000道2022/8/2619HEGARD名稱: High Energy Gamma Ray Detector簡稱: HEGARD 尺寸: 158cm158cm63cm 重量：6噸軌道高度: 大于4500 公里, 豎立,兩面都能接 收在軌時間: 3年 2022/8/2620能量測量厚度：25 . 三維讀出 橫向縱向泄漏

6、修正范圍: 30GeV300TeV 能量分辨：優(yōu)于5%AMS02 量能器的經(jīng)驗(16r.l. 束流測試結果）： 80TeV: 17r.l.2022/8/2621方向測量三維讀出， 重建簇射 方向測量精度：優(yōu)于o AMS02 量能器 束流測試結果2022/8/2622電磁簇射與強子簇射的區(qū)分塑料橡膠： 用來慢化次級中子外層含硼閃爍體： 探測慢中子 n+10B7Li+ 和 在含硼閃爍體中產(chǎn)生輸出電磁簇射：很少產(chǎn)生次級中子強子簇射：產(chǎn)生大量次級中子（1TeV的質子入射，簇射以后產(chǎn)生約1000個次級中子）2022/8/2623模擬結果在B-loaded scintilllator中如果時間比量能器晚1

7、0ns 以上，則被認為是次級中子信號2022/8/2624模擬結果2x10-650萬100GeV100GeV2022/8/2625帶電粒子與中性粒子的區(qū)分帶電粒子：外層閃爍體 著火中性粒子：外層閃爍體 不著火簇射反沖：被塑料橡膠 吸收光子效率：95%電子: 10-42022/8/2626幾何因子 實際上6個面都能接收光子，但考慮到衛(wèi)星等服務設施的遮擋，只計算上下兩面。210.08 m2sr其中為光子的效率。2022/8/2627與GLAST對比HEGARDGLAST尺寸(m)1.58*1.58*0.631.8*1.8*1幾何因子 (m2 sr)100.9能量30GeV300TeV20MeV30

8、0GeV重量5000kg 25 r.l.3000kg 8.4 r.l.按照GLAST的設計,要測量30GeV-300TeV 的,達到10m2 sr的能力, 則需 90噸2022/8/2628與CALET對比HEGARDCALET尺寸(m)1.58*1.58*0.63幾何因子 (m2 sr)100.5能量30GeV300TeV20MeV10TeV重量5000kg 25 r.l.2500kg 36 r.l.按照CALET的設計,達到10m2 sr的能力, 則需 50噸2022/8/2629與AMS02對比(湮滅線部分)HEGARDAMS02尺寸(m)1.58*1.58*0.63幾何因子 (m2 s

9、r)100.12能量30GeV300TeV1GeV2TeV重量5000kg 25 r.l.7000kg 16 r.l.2022/8/2630小結設計具有先進性: 用相對輕的重量獲得大的接收度。2022/8/2631機遇比GLAST, AMS02, CALET 具有大得多的能力測到暗物質HEGARD 將是30GeV300TeV能段最大的望遠鏡,可能有意想不到的收獲對國力和發(fā)射能力有信心2022/8/2632挑戰(zhàn)探測器: 能量飽和衛(wèi)星: 用電量, 數(shù)據(jù)率火箭: 大重量, 高軌道 也是對技術進步的推動2022/8/2633風險SUSY 錯誤,不存在湮滅截面太小其它實驗先發(fā)現(xiàn),作為第二發(fā)現(xiàn)者，意義不大

10、 2022/8/2634分步?jīng)Q策, 降低風險蒙特卡羅模擬, 改進設計 制作小模型，技術儲備. 2006-2010R&D, 樣品制作, 可行性研究 2010-2015制作飛行件，發(fā)射上天 2017 估計的質量 及流量,優(yōu)化設計. 如果技術確實可靠則進入第三步。如果LHC發(fā)現(xiàn)超對稱粒子，但GLAST，AMS02，MAGIC，VERITAS和其他實驗都沒有發(fā)現(xiàn)，則進入第二步。2022/8/2635可探測的粒子光子 電磁中性電子和反電子 電磁帶電長壽命中性強子 強子中性各種原子核 強子帶電2022/8/2636其它物理目標長壽命中性強子利用 爆 探測量子引力效應,研究暗能量彌散能譜 電子能譜 點源宇宙線成份2022/8/2637長壽命中性強子中性強子: 中子, 鄰近源如果測到大量中性強子,則突破標準模型 2022/8/2638利用 爆 探測量子引力效應John