暗物質(zhì)的空間探測

第一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期一目錄暗物質(zhì)探測方法暗物質(zhì)空間探測總結(jié)暗物質(zhì)暗物質(zhì)探測在中國2第二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期一暗物質(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

暗物質(zhì)是否存在1933年，F(xiàn)ritzZwicky，首次發(fā)現(xiàn)，virtual定理，初步證實存在天文學發(fā)展：兩種間接方法，動力學方法和引力透鏡方法2006年，錢德拉望遠鏡，星系碰撞，直接證據(jù)數(shù)據(jù)來源：NASA/WAMP,20083第三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期一WIMPs

WIMPs大質(zhì)量相互弱作用粒子WeaklyInteractingMassiveParticles一種超對稱中輕微子supersymmetricneutralino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），MACHOs4第四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期一目錄暗物質(zhì)探測方法暗物質(zhì)空間探測總結(jié)探測方法暗物質(zhì)探測在中國5第五頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期一直接探測方法

直接探測前提如果我們的宇宙中暗物質(zhì)由WIMPs組成，那么每秒會有數(shù)量巨大的WIMPs穿過地球。WIMPs源宇宙實驗室：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量來推斷它是否產(chǎn)生6第六頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期一直接探測方法

直接探測原理WIMPs/中微子：與靶物質(zhì)的原子核發(fā)生散射質(zhì)子/電子/γ射線：與靶物質(zhì)的電子發(fā)生散射7第七頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期一直接探測實驗地下深處：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硅或鍺晶體探測晶體振動和電阻變化

CDMS，CRESST，EDELWEISS，EURECA，……2.環(huán)境溫度160K兩相Xe或ArTPC

探測閃爍光和電子離子對

XENON，ArDM，……非主流：DRIFT：CS2

DAMA/LIBRA：NaI（Ti）PICASSO：過熱液滴氣泡室……直接探測方法8第八頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期一

間接探測原理1.WIMPs在太陽暈輪（solarhalo)中與質(zhì)子和α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：γ射線、粒子與反粒子對、中微子等間接探測方法9第九頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期一間接探測方法

間接探測實驗1.空間：探測宇宙線，主要是γ射線、粒子與反粒子對等尋找湮滅產(chǎn)物的能譜線和分布特征，尋找湮滅痕跡

PAMELA,ATIC,Fermi,AMS,……2.地表或地下：探測中微子

Super-Kamiokande,SNO+,……10第十頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期一目錄暗物質(zhì)探測方法暗物質(zhì)空間探測總結(jié)暗物質(zhì)空間探測暗物質(zhì)探測在中國11第十一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期一PAMELA主要任務：精確測量反粒子（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）精確測量反粒子能譜，研究輕核及它們的同位素，檢驗宇宙射線增殖模型Wizard合作組（俄羅斯，意大利，德國，瑞典）設計指標（暗物質(zhì)探測）正電子：50～270MeV

反質(zhì)子：80～90MeV12第十二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期一PAMELA磁譜儀中子探測器反符合系統(tǒng)飛行時間系統(tǒng)量能器底部閃爍體S413第十三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期一PAMELA

磁譜儀構(gòu)成

永磁體：銣鐵硼燒結(jié)的磁性材料,5×81mm,內(nèi)部均勻磁場0.4T

硅徑跡探測器（tracker）：雙面硅微條探測器，兩面微條正交，6×8mm14第十四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期一PAMELA

磁譜儀

功能

測量Z<=6的帶電粒子能損、徑跡

=>電荷符號，動量大小、方向，磁剛度（rigidity）（R=cp/Ze）

=>鑒別粒子技術(shù)指標最高計數(shù)率可以達到105/s，死時間是1.1ms

位置分辨率(3.0±0.1)μm

最大可測磁剛度為1TV15第十五頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期一PAMELA

飛行時間探測系統(tǒng)（TOF）

構(gòu)成三個高速塑料閃射體平板每個平板有兩層，相互正交S1：8×6bar2，2×7mmS2：2×2bar2，2×5mmS3：3×3bar2，2×7mm共24根閃爍體，48個PMT16第十六頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期一PAMELA

飛行時間探測系統(tǒng)（TOF）

功能

測量Z<=8帶電粒子：飛行時間=>速度

區(qū)分物理反照活動（albedoactivity）－－來自量能器的背散射測量閃爍體內(nèi)電離損失=>粒子電荷大小允許附加研究：連鎖反應，粗略的徑跡測量，……

技術(shù)指標

時間分辨率：250ps=>可區(qū)分動量在1GeV/c以上的反質(zhì)子和電子，正電子與質(zhì)子17第十七頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期一PAMELA

取樣成像電磁量能器

構(gòu)成

44個單面硅微條探測器平面(靈敏層），厚380μm3×3個單元/面，32個讀出微條/單元，相鄰面微條正交

22層鎢簇射介質(zhì)，厚0.26cm

18第十八頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期一PAMELA

取樣成像電磁量能器

功能

探測二維位置，測量能量損失=>區(qū)分電磁簇射和強子簇射

=>區(qū)分正電子與質(zhì)子,反質(zhì)子與電子區(qū)分度90%以上電磁簇射強子簇射19第十九頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期一PAMELA

簇射尾部接收閃爍體

構(gòu)成

1片正方形閃爍體，厚1cm6個PMT功能記錄量能器泄露電子數(shù)=>改進量能器對電子和強子的分辨能力

為中子探測器提供高能觸發(fā)20第二十頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期一

構(gòu)成

2×18個3He正比計數(shù)器包圍：聚丙烯塑料包裹薄鎘層<=防止熱中子從側(cè)面或底部進入功能作為量能器區(qū)分電子和強子的補充<=強子簇射產(chǎn)生的中子是電磁簇射的10～20倍

與量能器一起，可提供初級電子能量，幾個TeVPAMELA

中子探測器21第二十一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期一PAMELA

反符合系統(tǒng)

構(gòu)成

主：CAT+4個CAS

次：4個CARD（未啟用）塑料散射體+PMTsCAS/CARDCAT22第二十二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期一PAMELA

反符合系統(tǒng)

功能離線分析，鑒別goodtrigger和falsetrigger（~75%）

faulstriggergoodtrigger23第二十三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期一PAMELA

整體技術(shù)指標

探測孔徑張角：19°×16°

總重：470Kg

功率：360W

尺寸：L91cm×W89cm×H123cm

磁譜儀位置精度：4μm（有偏轉(zhuǎn)）和15μm（無偏轉(zhuǎn)）最大可測動量：1TV/c

死時間：1.1ms

飛行時間分辨率（原子核）：好于100ps

符合時間分辨率：10ns

能量分辨率（高能電子）：好于10%

動量分辨率（10GeV質(zhì)子）：好于10%

電磁簇射和強子簇射的區(qū)分能力：好于2x105

PAMELA置于一個常壓容器中24第二十四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期一PAMELA25第二十五頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期一PAMELA26第二十六頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期一ATIC

AdvancedThinIonizationCalorimeter27第二十七頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期一AMS-02

AlphaMagneticSpectrometer28第二十八頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期一暗物質(zhì)的空間探測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）2000～2008年4次南極上空飛行Fermi：高能光子（γ射線），正電子，等2008年6月11日上天AMS:正電子預計2010年6月上天……

理論上，只有暗物質(zhì)湮滅會產(chǎn)生小型高能正電子爆宇宙中其他過程也會產(chǎn)生正電子，但是全能量范圍

因此，只要探測到正電子在高能范圍的異?，F(xiàn)象，將是可能的湮滅證據(jù)29第二十九頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期一空間探測結(jié)果目前進展PAMELA的正電子探測結(jié)果與之前的實驗符合地很好在1.5~100GeV處出現(xiàn)正電子異常實線理論上計算的來自天體源的正電子PAMELA和之前的實驗都有明顯偏離實線的傾向O.Adriani,etc.Ananomalouspositronabundanceincosmicrays

withenergies1.5–100GeV[J].Nature,2009,458:607–609.30第三十頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期一空間探測結(jié)果目前進展

ATIC的探測結(jié)果與之前的實驗符合地很好在300~800GeV出現(xiàn)正電子異常有待PAMELA證實，但被Fermi實驗結(jié)果削弱<=沒探測到異常*AMSATIC○B(yǎng)ETS△HEAT

乳膠室×PPB-BETS實線：天體源J.Chang,etc.Anexcessofcosmicrayelectronsatenergiesof

300–800GeV[J].Nature,2008,456:362–365.31第三十一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期一暗物質(zhì)探測在中國目錄暗物質(zhì)探測方法暗物質(zhì)空間探測總結(jié)暗物質(zhì)探測在中國32第三十二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期一暗物質(zhì)探測在中國空間暗物質(zhì)探測器發(fā)射衛(wèi)星紫金山天文臺、高能所、蘭州近物所、科大四川錦屏山地下實驗室

2500m清華大學液氙探測器

200kg上海交大南極施密特望遠鏡陣（AST3）位于南極冰穹A33第三十三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期一暗物質(zhì)探測在中國目錄暗物質(zhì)探測方法暗物質(zhì)空間探測總結(jié)總結(jié)34第三十四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期一總結(jié)

暗物質(zhì)不參與電磁相互作用：無法被觀測不參與強核力作用：不與普通物質(zhì)發(fā)生作用：難以被探測WIMPs

弱核力和引力大質(zhì)量

探測技術(shù)直接探測：與靶物質(zhì)的散射作用間接探測：湮滅產(chǎn)物的能譜

WIMPs源：宇宙or實驗室35第三十五頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期一總結(jié)

探測進展

沒有確切證實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，正負電子對的量是否可以形成異常峰？

是否有更有效的探測技術(shù)？展望

實驗探索理論完善

36第三十六頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期一1CONTENTOFTHEUNIVERSE[DB]:/media/080998/index.html,2008.2Darkmatter-Wikipedia,thefreeencyclopedia[DB]:/wiki/Dark_matter,2009.3AZIPDetector[DB]:/public_pics/One_ZIP.html4CDMSStory[DB]:/experiment.html#detectors5CDMSPosters[DB]:/cdms/cdms_posters.html6XENONDarkMatterProject-XENON100Experiment[DB]:/xenon100.html7E.Aprile,T.Doke.LiquidXenonDetectorsforParticlePhysicsandAstrophysics[DB]:/publications/RMP_022409_rev29.pdf,2009.8ElenaAprile,TheXENON100DarkMatterExperimentatLNGS:StatusandSensitivity[R]:PresentedatTAUP,Rome,July2,2009.9Weaklyinteractingmassiveparticles-Wikipedia,thefreeencyclopedia[DB]:/wiki/Weakly_interacting_massive_particles,2009.10P.Picoz