暗物质的空间探测

CAT
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PAMELA
反符合系统
功能 离线分析，鉴别 离线分析，鉴别good trigger和false trigger（~75%） 和 （ ）
good trigger
fauls trigger
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PAMELA
整体技术指标
探测孔径张角： °× °×16° 探测孔径张角：19°× ° 总重： 总重：470Kg 功率： 功率：360W 尺寸： 尺寸：L91cm×W89cm×H123cm × × 磁谱仪位置精度：4μm（有偏转）和15μm（无偏转） 磁谱仪位置精度： （有偏转） （无偏转） 最大可测动量： 最大可测动量：1TV/c 死时间： 死时间：1.1ms
技术指标 时间分辨率： 可区分动量在1GeV/c以上的反质子和电子，正电子与质子 以上的反质子和电子， 时间分辨率：250ps=>可区分动量在 以上的反质子和电子
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PAMELA
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380μm 个单面硅微条探测器平面 灵敏层），厚 灵敏层）， 3×3个单元 面，32个读出微条 单元，相邻面微条正交 × 个单元 个单元/面 个读出微条/单元 个读出微条 单元， 22层钨簇射介质，厚0.26cm 层钨簇射介质，
原子核） 好于100ps 飞行时间分辨率（原子核） ：好于
符合时间分辨率： 符合时间分辨率：10ns 能量分辨率（高能电子） 好于10% 能量分辨率（高能电子） ：好于 动量分辨率（ 质子）：好于10% 动量分辨率（10GeV质子）：好于 质子）：好于 电磁簇射和强子簇射的区分能力：好于 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 置于一个常压容器中
WIMPs源 源
宇宙
实验室：加速器， 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 根据碰撞损失的能量和动量来推断它是否产生 碰撞损失的能量和动量
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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 中微子：与靶物质的原子核发生散射 中微子 原子核 电子发生散射 质子/电子 射线 与靶物质的电子 质子 电子/γ射线：与靶物质的电子发生散射 电子 射线：
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直接探测方法
直接探测实验
地下深处：屏蔽宇宙射线的噪声， 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 环境温度10mK 硅或锗晶体 探测晶体振动和电阻变化 硅或锗晶体 探测晶体振动和电阻变化 环境温度 CDMS，CRESST，EDELWEISS，EURECA，…… ， ， ， ， 2.环境温度 环境温度160K 两相 或Ar TPC 探测闪烁光和电子离子对 两相Xe或 探测闪烁光和电子离子对 环境温度 XENON，ArDM，…… ， ，
*AMS 实线：天体源 实线： ◇乳胶室
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J.Chang, etc. An excess of cosmic ray electrons at energies of 300–800 GeV[J]. Nature, 2008, 456: 362 – 365.
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PAMELA
簇射尾部接收闪烁体
构成 1片正方形闪烁体，厚1cm 片正方形闪烁体， 片正方形闪烁体 6个PMT 个
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 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
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PAMELA
中子探测器
构成 2×18个3He正比计数器 × 个 正比计数器 包围： 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 防止热中子从侧面或底部进入
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PAMELA
反符合系统
飞行时间系统 磁谱仪
量能器 底部闪烁体S4 底部闪烁体 中子探测器
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PAMELA
磁谱仪
构成 永磁体：铷铁硼烧结的磁性材料 × 内部均匀磁场0.4T 永磁体：铷铁硼烧结的磁性材料, 5×81mm, 内部均匀磁场 硅径迹探测器（ 硅径迹探测器（tracker）：双面硅微条探测器，两面微条正交，6×8mm ） 双面硅微条探测器，两面微条正交， ×
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PAMELA
取样成像电磁量能器
功能 探测二维位置 测量能量损失 二维位置， 能量损失=>区分电磁簇射和强子簇射 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 区分正电子与质子 反质子与电子 区分度90%以上 区分正电子与质子 以上
电磁簇射
强子簇射
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目录
暗物质 探测方法 暗物质空间探测 暗物质探测在中国 总结
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PAMELA
Wizard 合作组（俄罗斯，意大利，德国，瑞典） 合作组（俄罗斯，意大利，德国，瑞典） 主要任务： 主要任务： 精确测量反粒子（正电子，反质子）能谱， 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
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PAMELA
飞行时间探测系统（ 飞行时间探测系统（TOF） ）
功能 测量Z<=8带电粒子：飞行时间=>速度 带电粒子：飞行时间 速度 测量 带电粒子 区分物理反照活动（ ）－－来自量能器的背散射 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 测量闪烁体内电离损失=>粒子电荷大小 电离损失 允许附加研究：连锁反应，粗略的径迹测量，…… 允许附加研究：连锁反应，粗略的径迹测量，
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 暗物质探测在中国 总结
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暗物质
什么是暗物质？ 什么是暗物质？
不放射也不吸收光或任何电磁波 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 只通过引力作用与其他物质相互反应
暗物质是否存在
非主流： 非主流：
DRIFT：CS2 ： DAMA/LIBRA：NaI（Ti） ： （ ） PICASSO：过热液滴气泡室 ： ……
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间接探测方法
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 在太阳晕轮（ 中与质子和α粒子相互作用 在太阳晕轮 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：γ射线、粒子与反粒子对、中微子等 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、 射线、 积累到一定程度
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 的探测结果与之前的实验符合地很好 在300~800GeV出现正电子异常 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 证实，但被 有待 证实 实验结果削弱
△HEAT
○BETS
×PPB-BETS
ATIC
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间接探测方法
间接探测实验
1.空间：探测宇宙线，主要是γ射线、粒子与反粒子对等 空间：探测宇宙线，主要是 射线 射线、 空间 宇宙线 寻找湮灭产物的能谱线和分布特征， 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 地表或地下：探测中微子 地表或地下 Super-Kamiokande, SNO+, ……
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PAMELA
磁谱仪
功能 测量Z<=6的带电粒子能损、径迹 的带电粒子能损、 测量 的带电粒子能损 电荷符号 动量大小 方向，磁刚度（ 符号， 大小、 => 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 最高计数率可以达到10 ，死时间是1.1ms 最高计数率可以达到 5/s，死时间是 位置分辨率(3.0 ± 0.1) μm 位置分辨率 最大可测磁刚度为1TV 最大可测磁刚度为
1933年，Fritz Zwicky，首次发现，virtual定理，初步证实存在 年 定理， ，首次发现， 定理 天文学发展：两种间接方法，动力学方法和引力透镜方法 天文学发展：两种间接方法， 间接方法 2006年，钱德拉望远镜，星系碰撞，直接证据 年 钱德拉望远镜，星系碰撞，直接证据
3 数据来源： 数据来源：NASA/WAMP,2008
WIMPs
WIMPs 大质量相互弱作用粒子 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
弱核力和引力产生相互作用 粒子只通过弱核力和引力产生相互作用， 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； 或者粒子的相互作用截面小于弱核力作用截面； 与普通粒子相比质量较大 质量较大。 2 与普通粒子相比质量较大。
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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 的正电子探测结果与之前的实验符合地很好
在1.5~100GeV处出现正电子异常 处出现正电子异常
PAMELA和之前的实验 PAMELA和之前的实验 都有明显偏离实线的倾向
实线 理论上计算的来自 天体源的正电子
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O.Adriani, etc. An anomalous positron abundance in cosmic rays with energies 1.5–100 GeV [J]. Nature, 2009, 458: 607 – 609.
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10～ 倍 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 ～20倍 与量能器一起，可提供初级电子能量，几个 与量能器一起，可提供初级电子能量，几个TeV 初级电子能量
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PAMELA
反符合系统
构成 主：CAT + 4个CAS 个 次：4个CARD（未启用） 个 （未启用） 塑料散射体 + PMTs CAS/CARD
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PAMELA
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PAMELA
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ATIC
Advanced Thin Ionization Calorimeter
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AMS-02
Alpha Magnetic Spectrometer
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暗物质的空间探测
PAMELA: 正电子，反质子 正电子， ATIC：正电子与电子（无法区分） ：正电子与电子（无法区分） Fermi： 高能光子（γ射线），正电子，等 ： 高能光子（ 射线），正电子 射线），正电子， AMS: 正电子 ……
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PAMELA
飞行时间探测系统（ 飞行时wenku.baidu.com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， 每个平板有两层，相互正交 S1：8×6 bar2 ，2×7mm ： × S2：2×2 bar2 ，2×5mm ： × S3：3×3 bar2 ，2×7mm ： × 共24根闪烁体，48个PMT 根闪烁体， 个 根闪烁体
轴子（ ），MACHOs 轴子（axion）， ），
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目录
暗物质 探测方法 暗物质空间探测 暗物质探测在中国 总结
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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，那么每秒会有数量巨大的WIMPs穿过地球。 组成，那么每秒会有数量巨大的 穿过地球。 如果我们的宇宙中暗物质由 组成 穿过地球
搜寻反原子核（特别是反氦核） 2. 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， 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
设计指标（暗物质探测） 设计指标（暗物质探测） 正电子：50～ 正电子：50～270MeV 反质子：80～ 反质子：80～90MeV
2006年6月15日上天 年 月 日上天 2000～2008年4次南极上空飞行 ～ 年 次南极上空飞行 2008年6月11日上天 年 月 日上天 预计2010年6月上天 年 月上天 预计
理论上，只有暗物质湮灭会产生小型高能正电子爆 理论上，只有暗物质湮灭会产生小型高能正电子爆 高能 宇宙中其他过程也会产生正电子，但是全能量范围 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， 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 探测到正电子在高能范围的异常现象