探测暗物质地设想

探测暗物质的设想陈国明中科院高能所2005年2月1日2023/6/141GuomingCHEN暗物质有多个候选者,这里只想验证:最小超对称粒子,neutralino,χ

是否就是暗物质2023/6/142GuomingCHENχ的相互作用散射:χq→

χq

湮灭线：→:

Eγ=mχ

→Z:

Eγ=mχ（1-mz2/4mχ2）连续谱：

→ffbar,WW,ZZ,ZH,…反质子、正电子和γ（来自π0）在与mχ相关的某个区域出现抬高

2023/6/143GuomingCHEN通过湮灭线探测暗物质由于加速机制和气体尘埃的分布不很清楚，连续谱如果出现整体抬高会有很多解释，而湮灭线则是决定性的，因此建议通过湮灭线来探测暗物质。2023/6/144GuomingCHEN的质量和湮灭截面质量的不确定性30GeV﹤mχ﹤340TeV，30GeV以下已被实验排除。的湮灭截面的理论计算取决于参数的选取。2023/6/145GuomingCHENχ的分布MooreNFW2023/6/146GuomingCHEN子结构成团过程

毕效军提供2023/6/147GuomingCHEN探测湮灭线的要求能量分辨高视野宽面积大粒子识别能力强

有效几何因子=视野x面积x效率2023/6/148GuomingCHEN地面探测:切仑柯夫望远镜能区:10GeV—10TeV能量分辨:大约15%γ/p分辨:10-2—10-3γ/e分辨:不能视野:约为3o,只能定点探测面积:大探测时间:晴好无月的夜晚2023/6/149GuomingCHEN地面探测:广延大气簇射阵列我国羊八井的ARGO可以说是其代表，对于暗物质探测，其优点是:面积大;视野宽;可采用巡天模式,blindsearch缺点是:/p的区分较差，约为10-1，

/e不分，能量分辨差(100%)，能量的刻度困难.2023/6/1410GuomingCHEN地面探测小结切仑柯夫望远镜:不能作blindsearch广延大气簇射阵列:不能测湮灭线2023/6/1411GuomingCHEN太空实验:GLAST既能作blindsearch,又能测量湮灭线(能量分辨12%)但仅限于300GeV以下GF:0.9m2sr2023/6/1412GuomingCHEN太空实验:AMS02通过反质子、正电子的能谱探测暗物质GF:0.5m2sr能区:1GeV—2TeV通过湮灭线来探测暗物质

GF:0.12m2sr能区:1GeV—2TeV能量分辨:3%2023/6/1413GuomingCHEN太空实验:CALET通过湮灭线来探测暗物质GF:0.5m2sr能区:20MeV-20TeV2023/6/1414GuomingCHEN太空实验小结既能作blindsearch(大视野,巡天)又能测量湮灭线(能量分辨高)关键在于几何因子2023/6/1415GuomingCHEN国内实验基础分析

地面:切仑柯夫望远镜,没有基础;广延大气簇射阵列,羊八井太空:高能所参加AMS合作,设计制作电磁量能器;紫台参加ATIC,CALET合作2023/6/1416GuomingCHEN设想一

在太空观测湮灭线能量分辨:5%能区:30GeV—300TeV几何因子:10m2sr比GLAST大10倍比CALET大20倍比AMS02大100倍重量:在发射能力以内2023/6/1417GuomingCHEN探测器的概念设计1.65m*1.65m*0.65m25r.l.5m2sr5000kgHEGARD(HighEnergyGammarayDetector)

2023/6/1418GuomingCHEN量能器构造25层13000道2023/6/1419GuomingCHENHEGARD名称:HighEnergyGammaRayDetector简称:HEGARD尺寸:158cm158cm63cm重量：6吨轨道高度:大于4500公里,竖立,两面都能接收在轨时间:3年2023/6/1420GuomingCHEN能量测量厚度：25r.l.三维读出横向纵向泄漏修正范围:30GeV—300TeV能量分辨：优于5%AMS02量能器的经验(16r.l.束流测试结果）：80TeV:17r.l.2023/6/1421GuomingCHEN方向测量三维读出，重建簇射方向测量精度：优于0.5oAMS02量能器

束流测试结果2023/6/1422GuomingCHEN电磁簇射与强子簇射的区分塑料橡胶：用来慢化次级中子外层含硼闪烁体：探测慢中子

n+10B→7Li+α+γ

α和γ

在含硼闪烁体中产生输出电磁簇射：很少产生次级中子强子簇射：产生大量次级中子（1TeV的质子入射，簇射以后产生约1000个次级中子）2023/6/1423GuomingCHEN模拟结果在B-loadedscintilllator中如果时间比量能器晚10ns以上，则被认为是次级中子信号2023/6/1424GuomingCHEN模拟结果2x10-650万100GeV100GeV2023/6/1425GuomingCHEN带电粒子与中性粒子的区分带电粒子：外层闪烁体着火中性粒子：外层闪烁体不着火簇射反冲：被塑料橡胶吸收光子效率：〉95%电子:10-42023/6/1426GuomingCHEN几何因子实际上6个面都能接收光子，但考虑到卫星等服务设施的遮挡，只计算上下两面。1.31.320.910.08m2sr其中0.9为光子的效率。2023/6/1427GuomingCHEN与GLAST对比HEGARDGLAST尺寸(m)1.58*1.58*0.631.8*1.8*1几何因子

(m2

sr)100.9能量30GeV—300TeV20MeV—300GeV重量5000kg25r.l.3000kg8.4r.l.按照GLAST的设计,要测量30GeV--300TeV的γ,达到10m2

sr的能力,则需90吨2023/6/1428GuomingCHEN与CALET对比HEGARDCALET尺寸(m)1.58*1.58*0.63几何因子

(m2

sr)100.5能量30GeV—300TeV20MeV—10TeV重量5000kg25r.l.2500kg36r.l.按照CALET的设计,达到10m2

sr的能力,则需50吨2023/6/1429GuomingCHEN与AMS02对比(湮灭线部分)HEGARDAMS02尺寸(m)1.58*1.58*0.63几何因子(m2

sr)100.12能量30GeV—300TeV1GeV—2TeV重量5000kg25r.l.7000kg16r.l.2023/6/1430GuomingCHEN小结设计具有先进性:用相对轻的重量获得大的接收度。2023/6/1431GuomingCHEN机遇比GLAST,AMS02,CALET具有大得多的能力测到暗物质HEGARD将是30GeV—300TeV能段最大的望远镜,可能有意想不到的收获对国力和发射能力有信心2023/6/1432GuomingCHEN挑战探测器:能量饱和卫星:用电量,数据率火箭:大重量,高轨道也是对技术进步的推动2023/6/1433GuomingCHEN风险SUSY错误,χ不存在湮灭截面太小其它实验先发现,作为第二发现者，意义不大2023/6/1434GuomingCHEN分步决策,降低风险蒙特卡罗模拟,改进设计制作小模型，技术储备.

2006--2010R&D,样品制作,可行性研究

2010--2015制作飞行件，发射上天2017估计χ的质量及γ流量,优化设计.如果技术确实可靠则进入第三步。如果LHC发现超对称粒子，但GLAST，AMS02，MAGIC，VERITAS和其他实验都没有发现，则进入第二步。2023/6/1435GuomingCHEN可探测的粒子光子

电磁中性电子和反电子

电磁带电长寿命中性强子

强子中性各种原子核

强子带电2023/6/1436GuomingCHEN其它物理目标长寿命中性强子利用爆探测量子引力效应,研究暗能量弥散能谱电子能谱点源宇宙线成份2023/6/1437GuomingCHEN长寿命中性强子中性强子:中子,邻近源如果测到大量中性强子,则突破标准模型

2023/6/1438GuomingCHEN利用爆探测量子引力效应John