暗物质的空间探测

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1、暗物质的空间探测谢佳雯 近代物理系代智涛 上海应用物理研究所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2暗物质p 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 p 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,20083WIMPsp WIMPs大质量相互弱作用粒子 Weakly Interacting Massive Particles 一种超对称中轻微子 supersy

2、mmetric 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。p 轴子（axion），MACHOs4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5直接探测方法p 直接探测前提如果我们的宇宙中暗物质由WIMPs组成，那么每秒会有数量巨大的WIMPs穿过地球。 p 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6直接探测方法p 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

3、射7p直接探测实验地下深处：屏蔽宇宙射线的噪声，如中微子等p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8p 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9间接探测方法p 间

4、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PAMELA, ATIC, Fermi, AMS, 2.地表或地下：探测中微子Super-Kamiokande, SNO+, 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11PAMELAp 主要任务：1. 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2.搜寻反原子核（特别是反氦核）3.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p Wizard 合作组（俄罗斯，意大利，德国，瑞典）p 设计指标（暗物质探测）正电子：50270Me

5、V反质子：8090MeV12PAMELA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S413PAMELAp 磁谱仪p 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 14PAMELAp 磁谱仪p 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p 技术指标最高计计数率可以达到105/s，死时间时间 是1.1ms位置分辨率(3.0 0.1) m最大可测测磁刚刚度为为1TV15PAMELAp 飞行时间探测系统（TOF）p 构成三个高速塑料闪射体平板

6、 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PMT16PAMELAp 飞行时间探测系统（TOF）p 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，p 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17PAMELAp 取样成像电磁量能器p 构成44个单面硅微条探测器平面(灵敏层），厚380m33个单元/面，32个读出微条/单元，相邻面微条正交22层

7、钨簇射介质，厚0.26cm18PAMELAp 取样成像电磁量能器p 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 区分度90%以上电磁簇射强子簇射19PAMELAp 簇射尾部接收闪烁体p 构成1片正方形闪烁体，厚1cm6个PMTp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20p 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p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TeVPAMELAp 中子探测器2

8、1PAMELAp 反符合系统p 构成主：CAT + 4个CAS次：4个CARD（未启用）塑料散射体 + PMTsCAS/CARDCAT22PAMELAp 反符合系统p 功能离线分析，鉴别good trigger和false trigger（75%）fauls triggergood trigger23PAMELAp 整体技术指标p 探测孔径张角：1916p 总重：470Kgp 功率：360Wp 尺寸：L91cmW89cmH123cmp 磁谱仪位置精度：4m（有偏转）和15m（无偏转）p 最大可测动量：1TV/cp 死时间：1.1msp 飞行时间分辨率（原子核） ：好于100psp 符合时间分辨

9、率：10nsp 能量分辨率（高能电子） ：好于10%p 动量分辨率（10GeV质子）：好于10%p 电磁簇射和强子簇射的区分能力：好于2x105 p PAMELA置于一个常压容器中24PAMELA25PAMELA26ATICp Advanced Thin Ionization Calorimeter27AMS-02p Alpha Magnetic Spectrometer28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

10、电子 预计2010年6月上天p 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能范围的异常现象，将是可能的湮灭证据 29空间探测结果目前进展p PAMELA的正电子探测结果与之前的实验符合地很好p 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

11、: 607 609. 30空间探测结果目前进展p ATIC的探测结果与之前的实验符合地很好p 在300800GeV出现正电子异常p 有待PAMELA证实，但被Fermi实验结果削弱 = 没探测到异常*AMSATICBETS HEAT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. 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32暗物质探测在中国p空间暗物质探测器 发射卫星 紫金

12、山天文台、高能所、兰州近物所、科大p四川锦屏山地下实验室 2500m 清华大学p液氙探测器 200kg 上海交大p南极施密特望远镜阵（AST3）位于南极冰穹A33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34总结p 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p WIMPs弱核力和引力 大质量p 探测技术直接探测：与靶物质的散射作用间接探测：湮灭产物的能谱WIMPs源：宇宙 or 实验室35总结p 探测进展p 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p 需要所有探测器数据一致 困难 仪器精度不同、

13、能量分辨率不同p 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？p 展望实验探索 理论完善361 CONTENT OF THE UNIVERSE DB: http:/map.gsfc.nasa.gov/media/080998/index.html, 2008. 2 Dark matter - Wikipedia, the free encyclopedia DB: http:/en.wikipedia.org/wiki/Dark_matter, 2009. 3 A ZIP Detector DB: http:/cdms.berkeley.edu

14、/public_pics/One_ZIP.html 4 CDMS Story DB: http:/cdms.berkeley.edu/experiment.html#detectors 5 CDMS Posters DB: http:/www.soudan.umn.edu/cdms/cdms_posters.html 6 XENON Dark Matter Project - XENON100 ExperimentDB: http:/xenon.astro.columbia.edu/xenon100.html 7 E. Aprile, T. Doke. Liquid Xenon Detecto

15、rs for Particle Physics and Astrophysics DB: http:/xenon.astro.columbia.edu/publications/RMP_022409_rev29.pdf, 2009. 8 Elena Aprile, The XENON100 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: http:/en.wikipedia.org/wiki/Weakly_interacting_massive_particles, 2009. 10 P. Picozza, etc. PAMELA A payload for antimatter matter exploration and light-nuclei astrophysics J. Astropart