探測暗物質(zhì)的設(shè)想課件

探測暗物質(zhì)的設(shè)想陳國明中科院高能所2005年2月1日2022/12/221GuomingCHEN探測暗物質(zhì)的設(shè)想陳國明2022/12/171Guoming暗物質(zhì)有多個候選者,這里只想驗證:最小超對稱粒子,neutralino,χ

是否就是暗物質(zhì)2022/12/222GuomingCHEN暗物質(zhì)有多個候選者,這里只想驗證:2022/12χ的相互作用散射:χq→χq

湮滅線：→:

Eγ=mχ

→Z:

Eγ=mχ（1-mz2/4mχ2）連續(xù)譜：

→ffbar,WW,ZZ,ZH,…反質(zhì)子、正電子和γ（來自π0）在與mχ相關(guān)的某個區(qū)域出現(xiàn)抬高

2022/12/223GuomingCHENχ的相互作用散射:χq→χq2022/12/17通過湮滅線探測暗物質(zhì)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(zhì)。2022/12/224GuomingCHEN通過湮滅線探測暗物質(zhì)由于加速機制和氣體塵埃的分布不很清楚，連的質(zhì)量和湮滅截面質(zhì)量的不確定性30GeV﹤mχ﹤340TeV，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。2022/12/225GuomingCHEN的質(zhì)量和湮滅截面質(zhì)量的不確定性2022/12/175Guχ的分布MooreNFW2022/12/226GuomingCHENχ的分布MooreNFW2022/12/176Guoming子結(jié)構(gòu)成團過程

畢效軍提供2022/12/227GuomingCHEN子結(jié)構(gòu)成團過程畢效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2022/12/228GuomingCHEN探測湮滅線的要求能量分辨高2022/12/178Guomin地面探測:切侖柯夫望遠鏡能區(qū):10GeV—10TeV能量分辨:大約15%γ/p分辨:10-2—10-3γ/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2022/12/229GuomingCHEN地面探測:切侖柯夫望遠鏡能區(qū):10GeV—10TeV202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(zhì)探測，其優(yōu)點是:面積大;視野寬;可采用巡天模式,blindsearch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.2022/12/2210GuomingCHEN地面探測:廣延大氣簇射陣列我國羊八井的ARGO可以說是地面探測小結(jié)切侖柯夫望遠鏡:不能作blindsearch廣延大氣簇射陣列:不能測湮滅線2022/12/2211GuomingCHEN地面探測小結(jié)切侖柯夫望遠鏡:2022/12/1711Guo太空實驗:GLAST既能作blindsearch,又能測量湮滅線(能量分辨12%)但僅限于300GeV以下GF:0.9m2sr2022/12/2212GuomingCHEN太空實驗:GLAST既能作blindsearch,又202太空實驗:AMS02通過反質(zhì)子、正電子的能譜探測暗物質(zhì)GF:0.5m2sr能區(qū):1GeV—2TeV通過湮滅線來探測暗物質(zhì)

GF:0.12m2sr能區(qū):1GeV—2TeV能量分辨:3%2022/12/2213GuomingCHEN太空實驗:AMS02通過反質(zhì)子、正電子的能譜探測暗物質(zhì)202太空實驗:CALET通過湮滅線來探測暗物質(zhì)GF:0.5m2sr能區(qū):20MeV-20TeV2022/12/2214GuomingCHEN太空實驗:CALET通過湮滅線2022/12/1714Guo太空實驗小結(jié)既能作blindsearch(大視野,巡天)又能測量湮滅線(能量分辨高)關(guān)鍵在于幾何因子2022/12/2215GuomingCHEN太空實驗小結(jié)既能作blindsearch(大視野,巡天)2國內(nèi)實驗基礎(chǔ)分析

地面:切侖柯夫望遠鏡,沒有基礎(chǔ);廣延大氣簇射陣列,羊八井太空:高能所參加AMS合作,設(shè)計制作電磁量能器;紫臺參加ATIC,CALET合作2022/12/2216GuomingCHEN國內(nèi)實驗基礎(chǔ)分析2設(shè)想一

在太空觀測湮滅線能量分辨:5%能區(qū):30GeV—300TeV幾何因子:10m2sr比GLAST大10倍比CALET大20倍比AMS02大100倍重量:在發(fā)射能力以內(nèi)2022/12/2217GuomingCHEN設(shè)想一

在太空觀測湮滅線能量分辨:5%2022/12/171探測器的概念設(shè)計1.65m*1.65m*0.65m25r.l.5m2sr5000kgHEGARD(HighEnergyGammarayDetector)

2022/12/2218GuomingCHEN探測器的概念設(shè)計1.65m*1.65m*0.65m25量能器構(gòu)造25層13000道2022/12/2219GuomingCHEN量能器構(gòu)造25層2022/12/1719GuomingCHHEGARD名稱:HighEnergyGammaRayDetector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2022/12/2220GuomingCHENHEGARD名稱:HighEnergyGammaR能量測量厚度：25r.l.三維讀出橫向縱向泄漏修正范圍:30GeV—300TeV能量分辨：優(yōu)于5%AMS02量能器的經(jīng)驗(16r.l.束流測試結(jié)果）：80TeV:17r.l.2022/12/2221GuomingCHEN能量測量厚度：25r.l.三維讀出橫向縱方向測量三維讀出，重建簇射方向測量精度：優(yōu)于0.5oAMS02量能器

束流測試結(jié)果2022/12/2222GuomingCHEN方向測量三維讀出，重建簇射方向AMS02量能器2022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+10B→7Li+α+γ

α和γ

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(zhì)子入射，簇射以后產(chǎn)生約1000個次級中子）2022/12/2223GuomingCHEN電磁簇射與強子簇射的區(qū)分電磁簇射：很少產(chǎn)生次級中子（1TeV模擬結(jié)果在B-loadedscintilllator中如果時間比量能器晚10ns以上，則被認為是次級中子信號2022/12/2224GuomingCHEN模擬結(jié)果在B-loadedscintilllator中如果模擬結(jié)果2x10-650萬100GeV100GeV2022/12/2225GuomingCHEN模擬結(jié)果2x10-650萬100GeV100GeV2022/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:10-42022/12/2226GuomingCHEN帶電粒子與中性粒子的區(qū)分帶電粒子：外層閃爍體光子效率：〉95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(wù)設(shè)施的遮擋，只計算上下兩面。1.31.320.910.08m2sr其中0.9為光子的效率。2022/12/2227GuomingCHEN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(wù)設(shè)施的與GLAST對比HEGARDGLAST尺寸(m)1.58*1.58*0.631.8*1.8*1幾何因子

(m2sr)100.9能量30GeV—300TeV20MeV—300GeV重量5000kg25r.l.3000kg8.4r.l.按照GLAST的設(shè)計,要測量30GeV--300TeV的γ,達到10m2sr的能力,則需90噸2022/12/2228GuomingCHEN與GLAST對比HEGARDGLAST尺寸(m)1.58*1與CALET對比HEGARDCALET尺寸(m)1.58*1.58*0.63幾何因子

(m2sr)100.5能量30GeV—300TeV20MeV—10TeV重量5000kg25r.l.2500kg36r.l.按照CALET的設(shè)計,達到10m2sr的能力,則需50噸2022/12/2229GuomingCHEN與CALET對比HEGARDCALET尺寸(m)1.58*1與AMS02對比(湮滅線部分)HEGARDAMS02尺寸(m)1.58*1.58*0.63幾何因子(m2sr)100.12能量30GeV—300TeV1GeV—2TeV重量5000kg25r.l.7000kg16r.l.2022/12/2230GuomingCHEN與AMS02對比(湮滅線部分)HEGARDAMS02尺寸(m小結(jié)設(shè)計具有先進性:用相對輕的重量獲得大的接收度。2022/12/2231GuomingCHEN小結(jié)設(shè)計具有先進性:2022/12/1731Guoming機遇比GLAST,AMS02,CALET具有大得多的能力測到暗物質(zhì)HEGARD將是30GeV—300TeV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2022/12/2232GuomingCHEN機遇比GLAST,AMS02,CALET具有大得多的挑戰(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(shù)進步的推動2022/12/2233GuomingCHEN挑戰(zhàn)探測器:能量飽和2022/12/1733Guoming風(fēng)險SUSY錯誤,χ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2022/12/2234GuomingCHEN風(fēng)險2022/12/1734GuomingCHEN分步?jīng)Q策,降低風(fēng)險蒙特卡羅模擬,改進設(shè)計制作小模型，技術(shù)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χ的質(zhì)量及γ流量,優(yōu)化設(shè)計.如果技術(shù)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。2022/12/2235GuomingCHEN分步?jīng)Q策,降低風(fēng)險蒙特卡羅模擬,改進設(shè)計如果LHC發(fā)現(xiàn)超可探測的粒子光子

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2022/12/2236GuomingCHEN可探測的粒子光子其它物理目標長壽命中性強子利用爆探測量子引力效應(yīng),研究暗能量彌散能譜電子能譜點源宇宙線成份2022/12/2237GuomingCHEN其它物理目標長壽命中性強子2022/12/1737Guomi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

2022/12/2238GuomingCHEN長壽命中性強子中性強子:中子,鄰近源2022/12利用爆探測量子引力效應(yīng)JohnEllis真空性質(zhì)暗能量2022/12/2239GuomingCHEN利用爆探測量子引力效應(yīng)JohnEllis設(shè)想二

在羊八井ARGO陣列安插次級中子探測器使得γ/p分辨從10-1提高到10-3—10-4通過γ連續(xù)能譜的抬高的測量推測暗物質(zhì)的存在尋找γ點源,確定是否存在子結(jié)構(gòu),為切侖柯夫望遠鏡指明方向2022/12/2240GuomingCHEN設(shè)想二

在羊八井ARGO陣列安插次級中子探測器2022/12總結(jié)在暗物質(zhì)探測上面臨重大機遇，必須有所行動2022/12/2241GuomingCHEN總結(jié)在暗物質(zhì)探測上面臨重大機遇，2022/12/探測暗物質(zhì)的設(shè)想陳國明中科院高能所2005年2月1日2022/12/2242GuomingCHEN探測暗物質(zhì)的設(shè)想陳國明2022/12/171Guoming暗物質(zhì)有多個候選者,這里只想驗證:最小超對稱粒子,neutralino,χ

是否就是暗物質(zhì)2022/12/2243GuomingCHEN暗物質(zhì)有多個候選者,這里只想驗證:2022/12χ的相互作用散射:χq→χq

湮滅線：→:

Eγ=mχ

→Z:

Eγ=mχ（1-mz2/4mχ2）連續(xù)譜：

→ffbar,WW,ZZ,ZH,…反質(zhì)子、正電子和γ（來自π0）在與mχ相關(guān)的某個區(qū)域出現(xiàn)抬高

2022/12/2244GuomingCHENχ的相互作用散射:χq→χq2022/12/17通過湮滅線探測暗物質(zhì)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(zhì)。2022/12/2245GuomingCHEN通過湮滅線探測暗物質(zhì)由于加速機制和氣體塵埃的分布不很清楚，連的質(zhì)量和湮滅截面質(zhì)量的不確定性30GeV﹤mχ﹤340TeV，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。2022/12/2246GuomingCHEN的質(zhì)量和湮滅截面質(zhì)量的不確定性2022/12/175Guχ的分布MooreNFW2022/12/2247GuomingCHENχ的分布MooreNFW2022/12/176Guoming子結(jié)構(gòu)成團過程

畢效軍提供2022/12/2248GuomingCHEN子結(jié)構(gòu)成團過程畢效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2022/12/2249GuomingCHEN探測湮滅線的要求能量分辨高2022/12/178Guomin地面探測:切侖柯夫望遠鏡能區(qū):10GeV—10TeV能量分辨:大約15%γ/p分辨:10-2—10-3γ/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2022/12/2250GuomingCHEN地面探測:切侖柯夫望遠鏡能區(qū):10GeV—10TeV202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(zhì)探測，其優(yōu)點是:面積大;視野寬;可采用巡天模式,blindsearch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.2022/12/2251GuomingCHEN地面探測:廣延大氣簇射陣列我國羊八井的ARGO可以說是地面探測小結(jié)切侖柯夫望遠鏡:不能作blindsearch廣延大氣簇射陣列:不能測湮滅線2022/12/2252GuomingCHEN地面探測小結(jié)切侖柯夫望遠鏡:2022/12/1711Guo太空實驗:GLAST既能作blindsearch,又能測量湮滅線(能量分辨12%)但僅限于300GeV以下GF:0.9m2sr2022/12/2253GuomingCHEN太空實驗:GLAST既能作blindsearch,又202太空實驗:AMS02通過反質(zhì)子、正電子的能譜探測暗物質(zhì)GF:0.5m2sr能區(qū):1GeV—2TeV通過湮滅線來探測暗物質(zhì)

GF:0.12m2sr能區(qū):1GeV—2TeV能量分辨:3%2022/12/2254GuomingCHEN太空實驗:AMS02通過反質(zhì)子、正電子的能譜探測暗物質(zhì)202太空實驗:CALET通過湮滅線來探測暗物質(zhì)GF:0.5m2sr能區(qū):20MeV-20TeV2022/12/2255GuomingCHEN太空實驗:CALET通過湮滅線2022/12/1714Guo太空實驗小結(jié)既能作blindsearch(大視野,巡天)又能測量湮滅線(能量分辨高)關(guān)鍵在于幾何因子2022/12/2256GuomingCHEN太空實驗小結(jié)既能作blindsearch(大視野,巡天)2國內(nèi)實驗基礎(chǔ)分析

地面:切侖柯夫望遠鏡,沒有基礎(chǔ);廣延大氣簇射陣列,羊八井太空:高能所參加AMS合作,設(shè)計制作電磁量能器;紫臺參加ATIC,CALET合作2022/12/2257GuomingCHEN國內(nèi)實驗基礎(chǔ)分析2設(shè)想一

在太空觀測湮滅線能量分辨:5%能區(qū):30GeV—300TeV幾何因子:10m2sr比GLAST大10倍比CALET大20倍比AMS02大100倍重量:在發(fā)射能力以內(nèi)2022/12/2258GuomingCHEN設(shè)想一

在太空觀測湮滅線能量分辨:5%2022/12/171探測器的概念設(shè)計1.65m*1.65m*0.65m25r.l.5m2sr5000kgHEGARD(HighEnergyGammarayDetector)

2022/12/2259GuomingCHEN探測器的概念設(shè)計1.65m*1.65m*0.65m25量能器構(gòu)造25層13000道2022/12/2260GuomingCHEN量能器構(gòu)造25層2022/12/1719GuomingCHHEGARD名稱:HighEnergyGammaRayDetector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2022/12/2261GuomingCHENHEGARD名稱:HighEnergyGammaR能量測量厚度：25r.l.三維讀出橫向縱向泄漏修正范圍:30GeV—300TeV能量分辨：優(yōu)于5%AMS02量能器的經(jīng)驗(16r.l.束流測試結(jié)果）：80TeV:17r.l.2022/12/2262GuomingCHEN能量測量厚度：25r.l.三維讀出橫向縱方向測量三維讀出，重建簇射方向測量精度：優(yōu)于0.5oAMS02量能器

束流測試結(jié)果2022/12/2263GuomingCHEN方向測量三維讀出，重建簇射方向AMS02量能器2022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+10B→7Li+α+γ

α和γ

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(zhì)子入射，簇射以后產(chǎn)生約1000個次級中子）2022/12/2264GuomingCHEN電磁簇射與強子簇射的區(qū)分電磁簇射：很少產(chǎn)生次級中子（1TeV模擬結(jié)果在B-loadedscintilllator中如果時間比量能器晚10ns以上，則被認為是次級中子信號2022/12/2265GuomingCHEN模擬結(jié)果在B-loadedscintilllator中如果模擬結(jié)果2x10-650萬100GeV100GeV2022/12/2266GuomingCHEN模擬結(jié)果2x10-650萬100GeV100GeV2022/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:10-42022/12/2267GuomingCHEN帶電粒子與中性粒子的區(qū)分帶電粒子：外層閃爍體光子效率：〉95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(wù)設(shè)施的遮擋，只計算上下兩面。1.31.320.910.08m2sr其中0.9為光子的效率。2022/12/2268GuomingCHEN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(wù)設(shè)施的與GLAST對比HEGARDGLAST尺寸(m)1.58*1.58*0.631.8*1.8*1幾何因子

(m2sr)100.9能量30GeV—300TeV20MeV—300GeV重量5000kg25r.l.3000kg8.4r.l.按照GLAST的設(shè)計,要測量30GeV--300TeV的γ,達到10m2sr的能力,則需90噸2022/12/2269GuomingCHEN與GLAST對比HEGARDGLAST尺寸(m)1.58*1與CALET對比HEGARDCALET尺寸(m)1.58*1.58*0.63幾何因子

(m2sr)100.5能量30GeV—300TeV20MeV—10TeV重量5000kg25r.l.2500kg36r.l.按照CALET的設(shè)計,達到10m2sr的能力,則需50噸2022/12/2270GuomingCHEN與CALET對比HEGARDCALET尺寸(m)1.58*1與AMS02對比(湮滅線部分)HEGARDAMS02尺寸(m)1.58*1.58*0.63幾何因子(m2sr)100.12能量30GeV—300TeV1GeV—2TeV重量5000kg25r.l.7000kg16r.l.2022/12/2271GuomingCHEN與AMS02對比(湮滅線部分)HEGARDAMS02尺寸(m小結(jié)設(shè)計具有先進性:用相對輕的重量獲得大的接收度。2022/12/2272GuomingCHEN小結(jié)設(shè)計具有先進性:2022/12/1731Guoming機遇比GLAST,AMS02,CALET具有大得多的能力測到暗物質(zhì)HEGARD將是30GeV—300TeV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2022/12/2273GuomingCHEN機遇比GLAST,AMS02,CALET具有大得多的挑戰(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(shù)進步