暗物質(zhì)的空間探測(cè)

1、第1頁，共38頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)37分，星期四目錄暗物質(zhì)探測(cè)方法暗物質(zhì)空間探測(cè)總結(jié)暗物質(zhì)暗物質(zhì)探測(cè)在中國第2頁，共38頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)37分，星期四2暗物質(zhì) 什么是暗物質(zhì)？ 不放射也不吸收光或任何電磁波 不可見只通過引力作用與其他物質(zhì)相互反應(yīng) 暗物質(zhì)是否存在1933年，F(xiàn)ritz Zwicky，首次發(fā)現(xiàn)，virtual定理，初步證實(shí)存在天文學(xué)發(fā)展：兩種間接方法，動(dòng)力學(xué)方法和引力透鏡方法2006年，錢德拉望遠(yuǎn)鏡，星系碰撞，直接證據(jù)數(shù)據(jù)來源：NASA/WAMP,2008第3頁，共38頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)37分，星期四3WIMPs WIMPs大質(zhì)量相互

2、弱作用粒子 Weakly Interacting Massive Particles 一種超對(duì)稱中輕微子 supersymmetric neutralino最有可能的冷暗物質(zhì) 熱暗物質(zhì)1 粒子只通過弱核力和引力產(chǎn)生相互作用， 或者粒子的相互作用截面小于弱核力作用截面；2 與普通粒子相比質(zhì)量較大。 軸子（axion），MACHOs第4頁，共38頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)37分，星期四4目錄暗物質(zhì)探測(cè)方法暗物質(zhì)空間探測(cè)總結(jié)探測(cè)方法暗物質(zhì)探測(cè)在中國第5頁，共38頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)37分，星期四5直接探測(cè)方法 直接探測(cè)前提如果我們的宇宙中暗物質(zhì)由WIMPs組成，那么每秒會(huì)有數(shù)量

3、巨大的WIMPs穿過地球。 WIMPs源宇宙實(shí)驗(yàn)室：加速器，如LHC 忽略與普通物質(zhì)作用 根據(jù)碰撞損失的能量和動(dòng)量來推斷它是否產(chǎn)生第6頁，共38頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)37分，星期四6直接探測(cè)方法 直接探測(cè)原理WIMPs/中微子：與靶物質(zhì)的原子核發(fā)生散射質(zhì)子/電子/射線：與靶物質(zhì)的電子發(fā)生散射第7頁，共38頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)37分，星期四7直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)地下深處：屏蔽宇宙射線的噪聲，如中微子等按靶物質(zhì)分為兩類1.環(huán)境溫度10mK 硅或鍺晶體 探測(cè)晶體振動(dòng)和電阻變化 CDMS，CRESST，EDELWEISS，EURECA，2.環(huán)境溫度160K 兩相Xe或Ar TPC 探

4、測(cè)閃爍光和電子離子對(duì) XENON，ArDM，非主流：DRIFT：CS2 DAMA/LIBRA：NaI（Ti）PICASSO：過熱液滴氣泡室直接探測(cè)方法第8頁，共38頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)37分，星期四8 間接探測(cè)原理1.WIMPs在太陽暈輪（solar halo)中與質(zhì)子和粒子相互作用，失去能量被太陽捕獲2.積累到一定程度，相互湮滅，多種產(chǎn)物產(chǎn)生：射線、粒子與反粒子對(duì)、中微子等間接探測(cè)方法第9頁，共38頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)37分，星期四9間接探測(cè)方法 間接探測(cè)實(shí)驗(yàn)1.空間：探測(cè)宇宙線，主要是射線、粒子與反粒子對(duì)等 尋找湮滅產(chǎn)物的能譜線和分布特征，尋找湮滅痕跡 PAME

5、LA, ATIC, Fermi, AMS, 2.地表或地下：探測(cè)中微子 Super-Kamiokande, SNO+, 第10頁，共38頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)37分，星期四10目錄暗物質(zhì)探測(cè)方法暗物質(zhì)空間探測(cè)總結(jié)暗物質(zhì)空間探測(cè)暗物質(zhì)探測(cè)在中國第11頁，共38頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)37分，星期四11PAMELA主要任務(wù)：精確測(cè)量反粒子（正電子，反質(zhì)子）能譜，以搜尋暗物質(zhì)粒子湮滅證據(jù)搜尋反原子核（特別是反氦核）精確測(cè)量反粒子能譜，研究輕核及它們的同位素，檢驗(yàn)宇宙射線增殖模型Wizard 合作組（俄羅斯，意大利，德國，瑞典）設(shè)計(jì)指標(biāo)（暗物質(zhì)探測(cè)） 正電子：50270MeV 反

6、質(zhì)子：8090MeV第12頁，共38頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)37分，星期四12PAMELA磁譜儀中子探測(cè)器反符合系統(tǒng)飛行時(shí)間系統(tǒng)量能器底部閃爍體S4第13頁，共38頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)37分，星期四13PAMELA 磁譜儀 構(gòu)成 永磁體：銣鐵硼燒結(jié)的磁性材料, 581mm, 內(nèi)部均勻磁場(chǎng)0.4T 硅徑跡探測(cè)器（tracker）：雙面硅微條探測(cè)器，兩面微條正交，68mm 第14頁，共38頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)37分，星期四14PAMELA 磁譜儀 功能 測(cè)量Z 電荷符號(hào)，動(dòng)量大小、方向，磁剛度（rigidity）（R=cp/Ze） = 鑒別粒子 技術(shù)指標(biāo) 最高

7、計(jì)數(shù)率可以達(dá)到105/s，死時(shí)間是1.1ms 位置分辨率(3.0 0.1) m 最大可測(cè)磁剛度為1TV第15頁，共38頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)37分，星期四15PAMELA 飛行時(shí)間探測(cè)系統(tǒng)（TOF） 構(gòu)成 三個(gè)高速塑料閃射體平板 每個(gè)平板有兩層，相互正交S1：86 bar2 ，27mmS2：22 bar2 ，25mmS3：33 bar2 ，27mm共24根閃爍體，48個(gè)PMT第16頁，共38頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)37分，星期四16PAMELA 飛行時(shí)間探測(cè)系統(tǒng)（TOF） 功能 測(cè)量Z速度 區(qū)分物理反照活動(dòng)（albedo activity）來自量能器的背散射 測(cè)量閃爍體內(nèi)

8、電離損失=粒子電荷大小 允許附加研究：連鎖反應(yīng)，粗略的徑跡測(cè)量， 技術(shù)指標(biāo) 時(shí)間分辨率：250ps=可區(qū)分動(dòng)量在1GeV/c以上的反質(zhì)子和電子，正電子與質(zhì)子第17頁，共38頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)37分，星期四17PAMELA 取樣成像電磁量能器 構(gòu)成 44個(gè)單面硅微條探測(cè)器平面(靈敏層），厚380m 33個(gè)單元/面，32個(gè)讀出微條/單元，相鄰面微條正交 22層鎢簇射介質(zhì)，厚0.26cm 第18頁，共38頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)37分，星期四18PAMELA 取樣成像電磁量能器 功能 探測(cè)二維位置，測(cè)量能量損失=區(qū)分電磁簇射和強(qiáng)子簇射 =區(qū)分正電子與質(zhì)子,反質(zhì)子與電子 區(qū)分

9、度90%以上電磁簇射強(qiáng)子簇射第19頁，共38頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)37分，星期四19PAMELA 簇射尾部接收閃爍體 構(gòu)成 1片正方形閃爍體，厚1cm 6個(gè)PMT功能 記錄量能器泄露電子數(shù)=改進(jìn)量能器對(duì)電子和強(qiáng)子的分辨能力 為中子探測(cè)器提供高能觸發(fā)第20頁，共38頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)37分，星期四20 構(gòu)成 218個(gè)3He正比計(jì)數(shù)器 包圍：聚丙烯塑料包裹薄鎘層 =防止熱中子從側(cè)面或底部進(jìn)入功能 作為量能器區(qū)分電子和強(qiáng)子的補(bǔ)充 = 強(qiáng)子簇射產(chǎn)生的中子是電磁簇射的1020倍 與量能器一起，可提供初級(jí)電子能量，幾個(gè)TeVPAMELA 中子探測(cè)器第21頁，共38頁，2022年

10、，5月20日，20點(diǎn)37分，星期四21PAMELA 反符合系統(tǒng) 構(gòu)成 主：CAT + 4個(gè)CAS 次：4個(gè)CARD（未啟用） 塑料散射體 + PMTsCAS/CARDCAT第22頁，共38頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)37分，星期四22PAMELA 反符合系統(tǒng) 功能 離線分析，鑒別good trigger和false trigger（75%） fauls triggergood trigger第23頁，共38頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)37分，星期四23PAMELA 整體技術(shù)指標(biāo) 探測(cè)孔徑張角：1916 總重：470Kg 功率：360W 尺寸：L91cmW89cmH123cm 磁譜儀

11、位置精度：4m（有偏轉(zhuǎn)）和15m（無偏轉(zhuǎn)） 最大可測(cè)動(dòng)量：1TV/c 死時(shí)間：1.1ms 飛行時(shí)間分辨率（原子核） ：好于100ps 符合時(shí)間分辨率：10ns 能量分辨率（高能電子） ：好于10% 動(dòng)量分辨率（10GeV質(zhì)子）：好于10% 電磁簇射和強(qiáng)子簇射的區(qū)分能力：好于2x105 PAMELA置于一個(gè)常壓容器中第24頁，共38頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)37分，星期四24PAMELA第25頁，共38頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)37分，星期四25PAMELA第26頁，共38頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)37分，星期四26ATIC Advanced Thin Ionizatio

12、n Calorimeter第27頁，共38頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)37分，星期四27AMS-02 Alpha Magnetic Spectrometer第28頁，共38頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)37分，星期四28暗物質(zhì)的空間探測(cè)PAMELA: 正電子，反質(zhì)子 2006年6月15日上天ATIC：正電子與電子（無法區(qū)分） 20002008年4次南極上空飛行Fermi： 高能光子（射線），正電子，等 2008年6月11日上天AMS: 正電子 預(yù)計(jì)2010年6月上天 理論上，只有暗物質(zhì)湮滅會(huì)產(chǎn)生小型高能正電子爆 宇宙中其他過程也會(huì)產(chǎn)生正電子，但是全能量范圍 因此，只要探測(cè)到正電子在高

13、能范圍的異常現(xiàn)象，將是可能的湮滅證據(jù)第29頁，共38頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)37分，星期四29空間探測(cè)結(jié)果目前進(jìn)展 PAMELA的正電子探測(cè)結(jié)果與之前的實(shí)驗(yàn)符合地很好 在1.5100GeV處出現(xiàn)正電子異常實(shí)線理論上計(jì)算的來自 天體源的正電子PAMELA和之前的實(shí)驗(yàn)都有明顯偏離實(shí)線的傾向O.Adriani, etc. An anomalous positron abundance in cosmic rays with energies 1.5100 GeV J. Nature, 2009, 458: 607 609. 第30頁，共38頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)37分，星期四3

14、0空間探測(cè)結(jié)果目前進(jìn)展 ATIC的探測(cè)結(jié)果與之前的實(shí)驗(yàn)符合地很好 在300800GeV出現(xiàn)正電子異常 有待PAMELA證實(shí)，但被Fermi實(shí)驗(yàn)結(jié)果削弱 = 沒探測(cè)到異常*AMSATICBETSHEAT乳膠室PPB-BETS實(shí)線：天體源J.Chang, etc. An excess of cosmic ray electrons at energies of 300800 GeVJ. Nature, 2008, 456: 362 365. 第31頁，共38頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)37分，星期四31暗物質(zhì)探測(cè)在中國目錄暗物質(zhì)探測(cè)方法暗物質(zhì)空間探測(cè)總結(jié)暗物質(zhì)探測(cè)在中國第32頁，共38頁，2

15、022年，5月20日，20點(diǎn)37分，星期四32暗物質(zhì)探測(cè)在中國空間暗物質(zhì)探測(cè)器 發(fā)射衛(wèi)星 紫金山天文臺(tái)、高能所、蘭州近物所、科大四川錦屏山地下實(shí)驗(yàn)室 2500m 清華大學(xué)液氙探測(cè)器 200kg 上海交大南極施密特望遠(yuǎn)鏡陣（AST3）位于南極冰穹A第33頁，共38頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)37分，星期四33暗物質(zhì)探測(cè)在中國目錄暗物質(zhì)探測(cè)方法暗物質(zhì)空間探測(cè)總結(jié)總結(jié)第34頁，共38頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)37分，星期四34總結(jié) 暗物質(zhì) 不參與電磁相互作用：無法被觀測(cè) 不參與強(qiáng)核力作用：不與普通物質(zhì)發(fā)生作用：難以被探測(cè) WIMPs 弱核力和引力 大質(zhì)量 探測(cè)技術(shù) 直接探測(cè)：與靶物質(zhì)的

16、散射作用 間接探測(cè)：湮滅產(chǎn)物的能譜 WIMPs源：宇宙 or 實(shí)驗(yàn)室第35頁，共38頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)37分，星期四35總結(jié) 探測(cè)進(jìn)展 沒有確切證實(shí)WIMPs存在的證據(jù) 發(fā)現(xiàn)了一些可能證據(jù) 天體（如脈沖星）的影響無法排除 需要所有探測(cè)器數(shù)據(jù)一致 困難 儀器精度不同、能量分辨率不同 受到質(zhì)疑 是否可行？如空間正電子探測(cè)，正負(fù)電子對(duì)的量是否可以形成異常峰？ 是否有更有效的探測(cè)技術(shù)？ 展望 實(shí)驗(yàn)探索 理論完善 第36頁，共38頁，2022年，5月20日，20點(diǎn)37分，星期四361 CONTENT OF THE UNIVERSE DB: , 2008.2 Dark matter - W

17、ikipedia, the free encyclopedia DB: , 2009.3 A ZIP Detector DB: 4 CDMS Story DB: /experiment.html#detectors5 CDMS Posters DB: 6 XENON Dark Matter Project - XENON100 ExperimentDB: 7 E. Aprile, T. Doke. Liquid Xenon Detectors for Particle Physics and Astrophysics DB: , 2009.8 Elena Aprile, The XENON10

18、0 Dark Matter Experiment at LNGS: Status and Sensitivity R: Presented at TAUP, Rome, July 2, 2009. 9 Weakly interacting massive particles - Wikipedia, the free encyclopedia DB: , 2009.10 P. Picozza, etc. PAMELA A payload for antimatter matter exploration and light-nuclei astrophysics J. Astroparticle Physics, 2007, 27: 296 315.Pamela instruments DB: .O.Adriani, etc. An anomalous positron abundance in cosmic rays with energies 1.5100 GeV J. Nat