暗物质的空间探测

1、第1页，共38页，2022年，5月20日，20点37分，星期四目录暗物质探测方法暗物质空间探测总结暗物质暗物质探测在中国第2页，共38页，2022年，5月20日，20点37分，星期四2暗物质 什么是暗物质？ 不放射也不吸收光或任何电磁波 不可见只通过引力作用与其他物质相互反应 暗物质是否存在1933年，Fritz Zwicky，首次发现，virtual定理，初步证实存在天文学发展：两种间接方法，动力学方法和引力透镜方法2006年，钱德拉望远镜，星系碰撞，直接证据数据来源：NASA/WAMP,2008第3页，共38页，2022年，5月20日，20点37分，星期四3WIMPs WIMPs大质量相互

2、弱作用粒子 Weakly Interacting Massive Particles 一种超对称中轻微子 supersymmetric neutralino最有可能的冷暗物质 热暗物质1 粒子只通过弱核力和引力产生相互作用， 或者粒子的相互作用截面小于弱核力作用截面；2 与普通粒子相比质量较大。 轴子（axion），MACHOs第4页，共38页，2022年，5月20日，20点37分，星期四4目录暗物质探测方法暗物质空间探测总结探测方法暗物质探测在中国第5页，共38页，2022年，5月20日，20点37分，星期四5直接探测方法 直接探测前提如果我们的宇宙中暗物质由WIMPs组成，那么每秒会有数量

3、巨大的WIMPs穿过地球。 WIMPs源宇宙实验室：加速器，如LHC 忽略与普通物质作用 根据碰撞损失的能量和动量来推断它是否产生第6页，共38页，2022年，5月20日，20点37分，星期四6直接探测方法 直接探测原理WIMPs/中微子：与靶物质的原子核发生散射质子/电子/射线：与靶物质的电子发生散射第7页，共38页，2022年，5月20日，20点37分，星期四7直接探测实验地下深处：屏蔽宇宙射线的噪声，如中微子等按靶物质分为两类1.环境温度10mK 硅或锗晶体 探测晶体振动和电阻变化 CDMS，CRESST，EDELWEISS，EURECA，2.环境温度160K 两相Xe或Ar TPC 探

4、测闪烁光和电子离子对 XENON，ArDM，非主流：DRIFT：CS2 DAMA/LIBRA：NaI（Ti）PICASSO：过热液滴气泡室直接探测方法第8页，共38页，2022年，5月20日，20点37分，星期四8 间接探测原理1.WIMPs在太阳晕轮（solar halo)中与质子和粒子相互作用，失去能量被太阳捕获2.积累到一定程度，相互湮灭，多种产物产生：射线、粒子与反粒子对、中微子等间接探测方法第9页，共38页，2022年，5月20日，20点37分，星期四9间接探测方法 间接探测实验1.空间：探测宇宙线，主要是射线、粒子与反粒子对等 寻找湮灭产物的能谱线和分布特征，寻找湮灭痕迹 PAME

5、LA, ATIC, Fermi, AMS, 2.地表或地下：探测中微子 Super-Kamiokande, SNO+, 第10页，共38页，2022年，5月20日，20点37分，星期四10目录暗物质探测方法暗物质空间探测总结暗物质空间探测暗物质探测在中国第11页，共38页，2022年，5月20日，20点37分，星期四11PAMELA主要任务：精确测量反粒子（正电子，反质子）能谱，以搜寻暗物质粒子湮灭证据搜寻反原子核（特别是反氦核）精确测量反粒子能谱，研究轻核及它们的同位素，检验宇宙射线增殖模型Wizard 合作组（俄罗斯，意大利，德国，瑞典）设计指标（暗物质探测） 正电子：50270MeV 反

6、质子：8090MeV第12页，共38页，2022年，5月20日，20点37分，星期四12PAMELA磁谱仪中子探测器反符合系统飞行时间系统量能器底部闪烁体S4第13页，共38页，2022年，5月20日，20点37分，星期四13PAMELA 磁谱仪 构成 永磁体：铷铁硼烧结的磁性材料, 581mm, 内部均匀磁场0.4T 硅径迹探测器（tracker）：双面硅微条探测器，两面微条正交，68mm 第14页，共38页，2022年，5月20日，20点37分，星期四14PAMELA 磁谱仪 功能 测量Z 电荷符号，动量大小、方向，磁刚度（rigidity）（R=cp/Ze） = 鉴别粒子 技术指标 最高

7、计数率可以达到105/s，死时间是1.1ms 位置分辨率(3.0 0.1) m 最大可测磁刚度为1TV第15页，共38页，2022年，5月20日，20点37分，星期四15PAMELA 飞行时间探测系统（TOF） 构成 三个高速塑料闪射体平板 每个平板有两层，相互正交S1：86 bar2 ，27mmS2：22 bar2 ，25mmS3：33 bar2 ，27mm共24根闪烁体，48个PMT第16页，共38页，2022年，5月20日，20点37分，星期四16PAMELA 飞行时间探测系统（TOF） 功能 测量Z速度 区分物理反照活动（albedo activity）来自量能器的背散射 测量闪烁体内

8、电离损失=粒子电荷大小 允许附加研究：连锁反应，粗略的径迹测量， 技术指标 时间分辨率：250ps=可区分动量在1GeV/c以上的反质子和电子，正电子与质子第17页，共38页，2022年，5月20日，20点37分，星期四17PAMELA 取样成像电磁量能器 构成 44个单面硅微条探测器平面(灵敏层），厚380m 33个单元/面，32个读出微条/单元，相邻面微条正交 22层钨簇射介质，厚0.26cm 第18页，共38页，2022年，5月20日，20点37分，星期四18PAMELA 取样成像电磁量能器 功能 探测二维位置，测量能量损失=区分电磁簇射和强子簇射 =区分正电子与质子,反质子与电子 区分

9、度90%以上电磁簇射强子簇射第19页，共38页，2022年，5月20日，20点37分，星期四19PAMELA 簇射尾部接收闪烁体 构成 1片正方形闪烁体，厚1cm 6个PMT功能 记录量能器泄露电子数=改进量能器对电子和强子的分辨能力 为中子探测器提供高能触发第20页，共38页，2022年，5月20日，20点37分，星期四20 构成 218个3He正比计数器 包围：聚丙烯塑料包裹薄镉层 =防止热中子从侧面或底部进入功能 作为量能器区分电子和强子的补充 = 强子簇射产生的中子是电磁簇射的1020倍 与量能器一起，可提供初级电子能量，几个TeVPAMELA 中子探测器第21页，共38页，2022年

10、，5月20日，20点37分，星期四21PAMELA 反符合系统 构成 主：CAT + 4个CAS 次：4个CARD（未启用） 塑料散射体 + PMTsCAS/CARDCAT第22页，共38页，2022年，5月20日，20点37分，星期四22PAMELA 反符合系统 功能 离线分析，鉴别good trigger和false trigger（75%） fauls triggergood trigger第23页，共38页，2022年，5月20日，20点37分，星期四23PAMELA 整体技术指标 探测孔径张角：1916 总重：470Kg 功率：360W 尺寸：L91cmW89cmH123cm 磁谱仪

11、位置精度：4m（有偏转）和15m（无偏转） 最大可测动量：1TV/c 死时间：1.1ms 飞行时间分辨率（原子核） ：好于100ps 符合时间分辨率：10ns 能量分辨率（高能电子） ：好于10% 动量分辨率（10GeV质子）：好于10% 电磁簇射和强子簇射的区分能力：好于2x105 PAMELA置于一个常压容器中第24页，共38页，2022年，5月20日，20点37分，星期四24PAMELA第25页，共38页，2022年，5月20日，20点37分，星期四25PAMELA第26页，共38页，2022年，5月20日，20点37分，星期四26ATIC Advanced Thin Ionizatio

12、n Calorimeter第27页，共38页，2022年，5月20日，20点37分，星期四27AMS-02 Alpha Magnetic Spectrometer第28页，共38页，2022年，5月20日，20点37分，星期四28暗物质的空间探测PAMELA: 正电子，反质子 2006年6月15日上天ATIC：正电子与电子（无法区分） 20002008年4次南极上空飞行Fermi： 高能光子（射线），正电子，等 2008年6月11日上天AMS: 正电子 预计2010年6月上天 理论上，只有暗物质湮灭会产生小型高能正电子爆 宇宙中其他过程也会产生正电子，但是全能量范围 因此，只要探测到正电子在高

13、能范围的异常现象，将是可能的湮灭证据第29页，共38页，2022年，5月20日，20点37分，星期四29空间探测结果目前进展 PAMELA的正电子探测结果与之前的实验符合地很好 在1.5100GeV处出现正电子异常实线理论上计算的来自 天体源的正电子PAMELA和之前的实验都有明显偏离实线的倾向O.Adriani, etc. An anomalous positron abundance in cosmic rays with energies 1.5100 GeV J. Nature, 2009, 458: 607 609. 第30页，共38页，2022年，5月20日，20点37分，星期四3

14、0空间探测结果目前进展 ATIC的探测结果与之前的实验符合地很好 在300800GeV出现正电子异常 有待PAMELA证实，但被Fermi实验结果削弱 = 没探测到异常*AMSATICBETSHEAT乳胶室PPB-BETS实线：天体源J.Chang, etc. An excess of cosmic ray electrons at energies of 300800 GeVJ. Nature, 2008, 456: 362 365. 第31页，共38页，2022年，5月20日，20点37分，星期四31暗物质探测在中国目录暗物质探测方法暗物质空间探测总结暗物质探测在中国第32页，共38页，2

15、022年，5月20日，20点37分，星期四32暗物质探测在中国空间暗物质探测器 发射卫星 紫金山天文台、高能所、兰州近物所、科大四川锦屏山地下实验室 2500m 清华大学液氙探测器 200kg 上海交大南极施密特望远镜阵（AST3）位于南极冰穹A第33页，共38页，2022年，5月20日，20点37分，星期四33暗物质探测在中国目录暗物质探测方法暗物质空间探测总结总结第34页，共38页，2022年，5月20日，20点37分，星期四34总结 暗物质 不参与电磁相互作用：无法被观测 不参与强核力作用：不与普通物质发生作用：难以被探测 WIMPs 弱核力和引力 大质量 探测技术 直接探测：与靶物质的

16、散射作用 间接探测：湮灭产物的能谱 WIMPs源：宇宙 or 实验室第35页，共38页，2022年，5月20日，20点37分，星期四35总结 探测进展 没有确切证实WIMPs存在的证据 发现了一些可能证据 天体（如脉冲星）的影响无法排除 需要所有探测器数据一致 困难 仪器精度不同、能量分辨率不同 受到质疑 是否可行？如空间正电子探测，正负电子对的量是否可以形成异常峰？ 是否有更有效的探测技术？ 展望 实验探索 理论完善 第36页，共38页，2022年，5月20日，20点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