暗物质的空间探测
空间引力波探测方法及在宇宙起源研究项目上进展介绍
空间引力波探测方法及在宇宙起源研究项目上进展介绍引言：随着科学技术的不断发展，对于宇宙的起源和演化的研究取得了重大的突破。
而空间引力波探测方法是目前最为先进的技术之一，它能够提供对宇宙起源和演化的关键信息。
本文将详细介绍空间引力波探测方法的原理及其在宇宙起源研究项目上的最新进展。
一、空间引力波的探测方法空间引力波主要是由于质量分布的变化而引起的时空弯曲现象，在引力场中以波的形式传播。
为了探测空间引力波，科学家们开发了一系列先进的技术和设备。
1. 激光干涉仪激光干涉仪是目前最常用的探测空间引力波的方法之一，它利用激光束来探测探测幅度相对较小的引力波。
当引力波通过探测器时，它会引起干涉仪内两束激光的干涉信号发生变化。
通过检测这种信号的变化，科学家可以推断出引力波的存在和性质。
2. 引力波望远镜引力波望远镜是一种利用引力波探测宇宙的仪器。
它是由多个探测器组成的网络，每个探测器以特定的方式排列在空间中。
通过测量不同探测器之间引力波信号的传播时间差，可以确定引力波的产生位置和方向。
3. 时空探测器时空探测器是一种更加高精度的引力波探测器，它能够实时记录空间中引力波的振幅和频率。
通过对引力波的这些参数进行分析和测量，科学家可以研究宇宙中不同物质的分布和演化过程。
二、空间引力波在宇宙起源研究项目中的进展空间引力波探测方法在宇宙起源研究项目中发挥着重要的作用，以下将为大家介绍宇宙起源研究各领域的最新进展。
1. 宇宙背景引力波宇宙背景引力波是指来源于宇宙早期的引力波，它们会携带着关于宇宙起源和演化的重要信息。
目前，科学家们正在设计和建造一种名为宇宙背景引力波探测卫星（CMB-Я）的项目，该项目旨在利用精密的引力波探测仪器，测量并解析宇宙背景引力波。
预计该项目将为我们提供更详细、更准确的关于宇宙早期演化的信息。
2. 暗物质和暗能量研究暗物质和暗能量是宇宙中最为神秘的存在之一。
空间引力波探测方法可以通过测量引力波在不同物质密度分布下的传播速度和路径来揭示暗物质和暗能量的性质。
寻找暗物质的最新实验进展
寻找暗物质的最新实验进展暗物质是宇宙中一种神秘的物质，尽管占据了宇宙总质量的约27%，但至今我们还未能直接观测到它。
关于暗物质的研究源远流长，科学家们通过多种实验手段和理论模型试图寻找它的踪迹。
本文将从多个方面探讨寻找暗物质的最新实验进展，包括实验背景、当前的实验方法、取得的成果以及未来的研究方向。
一、暗物质的基础概念在深入讨论实验进展之前，我们首先需要了解什么是暗物质。
暗物质并不是一种普通的物质，它无法通过光子与电磁波相互作用，因此不可见。
尽管无法直接探测，暗物质的存在是通过其对可见物质引力效应来推测的。
例如，星系的旋转速度以及宇宙微波背景辐射等现象，都指向暗物质的存在。
二、暗物质的候选者科学家们提出了多种可能构成暗物质的候选者，其中最有前景的包括： 1. 弱相互作用大质量粒子（WIMPs）：这是目前广泛接受的一种暗物质候选者，它们通过弱相互作用与普通物质相互作用。
2. 轴子：这种假设粒子具有极小的质量，并且与电磁场和引力场相互作用非常微弱。
3. 超对称粒子：根据超对称理论，普通粒子都有对应的超对称粒子，这些粒子也被认为可能是暗物质的一部分。
三、当前实验方法在寻找暗物质方面，科研界主要采用了几种不同的实验方法。
这些方法可以大致分为直接探测和间接探测两大类。
1. 直接探测直接探测实验旨在探测暗物质粒子与普通物质发生碰撞所产生的信号。
近年来，一些著名的直接探测实验包括： - LUX-ZEPLIN（LZ）实验：位于美国南达科他州，这个实验使用超纯液体氙作为探测介质。
它旨在通过捕捉WIMP与氙原子核碰撞产生的光子和电子信号来寻找暗物质。
- XENONnT实验：这是一个安装在意大利地下的大型液态氙探测器，其目标同样是通过检测微小能量释放来寻找可能存在的暗物质粒子。
这些实验通常都会选择地下深处的位置，以减少来自地球表面的背景噪声和辐射干扰。
2. 间接探测间接探测旨在观察暗物质粒子消亡或相互作用时所产生的产物，例如伽马射线、宇宙射线等。
探秘宇宙黑暗物质与暗能量的本质与研究进展
探秘宇宙黑暗物质与暗能量的本质与研究进展1. 引言1.1 概述宇宙黑暗物质和暗能量是当前天体物理学和宇宙学研究中最为重要的两个课题。
自从二十世纪九十年代以来，科学家在观测和理论方面取得了突破性的进展。
黑暗物质与暗能量的研究是为了解释宇宙中观测到的各种现象和规律，进一步深化人类对宇宙结构、演化和本质的认知。
1.2 研究背景在过去几十年中，天文学家通过多种方法，如星系旋转曲线、引力透镜效应等观测手段，发现了大量无法通过常规物质解释的现象。
这些观测数据表明，在我们所见到的物质之外，存在着巨大数量的黑暗物质，并且宇宙正在以加速度膨胀。
为了解释这些现象，科学家提出了黑暗物质与暗能量的概念，并进行了深入研究。
1.3 目的及意义本文旨在探讨和总结目前关于黑暗物质和暗能量本质的研究进展，介绍它们的定义、特征以及被发现的历程。
同时，重点分析当前研究中存在的挑战，并提出未来可能取得突破性进展的方向。
通过对黑暗物质和暗能量本质的深入探索，我们可以更好地理解宇宙结构形成和演化的规律，推动天体物理学和宇宙学领域的发展。
最终，这也有助于人类对整个宇宙认知水平的提升。
2. 宇宙黑暗物质的本质与研究进展：2.1 定义与特征：宇宙黑暗物质是指一种无法直接观测到的物质，不发出、不吸收任何电磁辐射，与普通物质（如星体和行星）没有相互作用。
然而，通过对其引力效应的观测和分析，科学家们得出了关于宇宙黑暗物质存在的强有力证据。
宇宙黑暗物质在整个宇宙中占据着巨大比例，并且对于维持宇宙结构、星系形成以及宇宙演化等过程具有重要作用。
2.2 观测方法与发现历程：对于宇宙黑暗物质的研究主要依赖于间接观测手段。
其中，天体运动观测是最早也是最为经典的方法之一——通过监测星系或者星系团内恒星运动速度的变化来推测存在于这些星系或者星系团中的额外物质。
此外，在背景辐射剩余波谱（Cosmic Microwave Background, CMB）的观测中，科学家们也发现了关于宇宙黑暗物质的重要证据。
暗物质探索
暗物质探索在现代天文学和粒子物理学的交汇点上，有一个悬而未决的大问题：宇宙中的大部分物质是由什么组成的？答案是“暗物质”——一种我们无法直接观测到的物质。
尽管它不发光也不发热，但通过其引力效应，科学家们能够推断出它的存在。
本文旨在探讨暗物质的性质、探索方法以及当前的科学进展。
暗物质的性质暗物质不发光，不与电磁力相互作用，因此不能通过传统的望远镜观测到。
然而，它对可见物质产生引力作用，影响星系的旋转曲线和宇宙的大尺度结构。
研究表明，暗物质构成了宇宙总质量能量的约27%。
探索方法间接探测间接探测主要是寻找暗物质粒子衰变或湮灭时可能产生的高能粒子，如伽马射线、中微子等。
地面和空间的望远镜都在进行此类搜索。
直接探测直接探测实验试图捕捉到暗物质粒子与普通物质的罕见相互作用。
这些实验通常位于地下深处，以屏蔽宇宙射线和其他背景干扰。
加速器探测在大型强子对撞机（LHC）等粒子加速器中，科学家尝试通过高能碰撞产生暗物质粒子，并寻找它们存在的线索。
科学进展尽管投入了大量资源，暗物质的本质仍然是一个谜。
一些实验报告了潜在的信号，但这些发现尚未得到独立验证。
同时，理论物理学家正在开发新的模型来解释暗物质的性质。
未来展望未来的探索将依赖于更灵敏的探测器、更强大的加速器以及新的数据分析技术。
国际合作项目，如深空任务和地下实验室网络，将扩大我们的搜索范围。
结论暗物质的探索是人类智慧的挑战，也是科学进步的象征。
虽然我们还没有揭开它的秘密，但每一次尝试都让我们离答案更近一步。
随着技术的发展和理论的深化，我们有理由相信，终有一天，暗物质的面纱将被揭开。
---请注意，本文是一篇基于科学事实的综述文章，不包含任何违反社区规则和国家法律法规的内容。
探测暗物质的方法
探测暗物质的方法
探测暗物质的方法主要包括直接探测和间接探测两大类。
直接探测是通过探测暗物质粒子与普通物质的原子核碰撞后发出的信号来实现的，这种方法依赖于暗物质粒子与标准模型粒子相互碰撞之后的靶核状态来研究暗物质。
例如，LUX、LZ、PandaX等实验就是通过在地下放置装满xenon的容器，并布满光电倍增管（PMT）来探测这种信号。
当暗物质和普通物质间有相互作用时，会同探测器中的氙原子碰撞并产生反冲信号，在探测器中以氙原子闪光（S1）和电离（S2）的形式表现出来。
间接探测则是通过分析宇宙射线、星系旋转曲线、引力透镜效应等天文观测数据来寻找暗物质存在的证据。
这种方法不直接探测暗物质粒子本身，而是通过其对周围环境的影响来推断其存在。
例如，通过对小尺度结构密度、分布、演化以及其环境的研究可以区分这些潜在的暗物质模型。
揭秘宇宙之谜——暗物质
揭秘宇宙之谜——暗物质在浩瀚无垠的宇宙中，星辰璀璨，星系旋转，然而这一切可见的美丽仅占宇宙物质总量的不足五分之一。
剩下的大部分，是一种神秘莫测的存在——暗物质。
尽管它对我们肉眼不可见，也无法直接探测，但科学家们通过各种迹象推断出它的存在，并且相信它在宇宙的结构和演化中扮演着至关重要的角色。
暗物质的概念首次被提出是在20世纪30年代，当时天文学家弗里茨·兹威基观察到了星系团中星系的运动速度远超预期，他推测必须有一种看不见的物质提供了额外的引力。
此后，随着观测技术的进步，更多证据支持了暗物质的存在。
星系旋转曲线、宇宙微波背景辐射、大尺度结构形成等现象都强烈暗示着宇宙中隐藏着大量我们无法直接看到的物质。
暗物质的本质至今仍是一个谜。
目前主流科学界认为，暗物质可能是由一种或几种尚未发现的粒子组成，这些粒子不参与电磁相互作用，因此对光和其他电磁辐射透明，无法被直接观测到。
它们以一种特殊的方式影响宇宙，只通过引力与普通物质相互作用。
探索暗物质的性质和分布是现代物理学和天文学的重大挑战。
科学家们利用地面和太空的探测器尝试捕捉暗物质粒子的迹象，如地下深处的巨大探测器试图记录下暗物质粒子与原子核碰撞的事件。
同时，粒子物理学家也在加速器实验中寻找可能产生暗物质粒子的信号。
尽管暗物质仍然蒙着神秘的面纱，它对宇宙的影响却是显而易见的。
模拟显示，没有暗物质的宇宙将是一个星系稀疏、难以聚集的地区，而我们实际观测到的宇宙却拥有复杂的网状结构，星系和星系团在其中紧密相连。
暗物质为宇宙的大规模结构提供了脚手架，使得宇宙能够按照现有的模式发展。
暗物质的研究不仅对于理解宇宙的起源和演化至关重要，也可能对我们理解物质的基本性质产生深远的影响。
或许在不久的将来，随着科技的进步和新理论的出现，暗物质这一宇宙之谜将最终被揭开，为我们带来关于宇宙最深远的洞见。
暗物质及其在宇宙学中的应用
暗物质及其在宇宙学中的应用宇宙学是对宇宙的起源、演化和结构进行研究的学科。
在宇宙学中，暗物质是一个非常重要的概念。
那么，什么是暗物质呢？暗物质是指在宇宙中的存在而没有直接观测到的物质。
暗物质不与光子发生作用，因此不发光，也不与其他物质作用，不会形成常见的物质形态如行星、恒星，甚至普通的原子。
暗物质是不可见的，但是它的存在可以通过一些其他的手段来间接观测到。
暗物质的存在可以通过宇宙学上观测到的物理现象来证明。
例如，早期的宇宙背景辐射、宇宙微波背景辐射和银河系中恒星围绕中心旋转的速度，都无法用已知的物质解释。
因此，它们只能通过暗物质的存在来解释。
暗物质的存在和性质一直是科学界的热点问题。
在过去的几十年中，科学家们开展了大量的研究，试图探明暗物质的性质。
最新的研究表明，暗物质可能是由一种或多种微不足道的基本粒子组成的，这种粒子与普通物质的微观粒子存在一定的相似性。
暗物质虽然没有观测到，但是它在宇宙学上的重要性是无可替代的。
暗物质实际上是宇宙学的“隐藏因素”，它的存在使得宇宙学研究更加完备和深刻。
暗物质的存在可以解释宇宙密度场的演化，以及宇宙中大尺度结构、星系的形成和演化等重要现象。
因此，只有深入研究暗物质，才能够更好地了解宇宙的演化历程和结构特征。
在过去的几年中，暗物质一直是宇宙学研究的前沿课题。
科学家们通过各种手段对暗物质的性质进行研究。
例如，在地下实验室中使用探测器进行直接测量，利用空间望远镜、宇宙射线探测器等设备间接探测暗物质的存在。
未来，仍然有许多领域关注暗物质研究的发展。
例如，在宇宙大爆炸初期的暗能量、暗物质和宇宙背景辐射之间的关系，暗物质在宇宙结构中的分布等方面都需要进一步研究。
在这个蕴含着数百个亿星系、无可比拟的幅员浩瀚、深邃、神秘的宇宙里，暗物质无疑是宇宙学中的一个重要课题。
探索它的性质，进一步揭示宇宙演化的历程和规律，是诸多科学家们的共同愿望和使命，也是人类对自己和宇宙的追寻。
天体物理学中的暗物质和宇宙射线
天体物理学中的暗物质和宇宙射线天体物理学是一门研究宇宙中对物质、能量和射线等自然现象与天体之间相互作用的科学。
其中，暗物质和宇宙射线则是当前热门的研究领域。
一、暗物质在物理学中，暗物质是指宇宙中某些组成物质，其存在形式尚没有被观测到。
据研究发现，暗物质比惯性物质（也就是通常意义上的物质）更为普遍，推测在可观测的宇宙中，约有25%的物质为暗物质。
在暗物质的命名中，“暗”并不代表着它是不发光的。
事实上，暗物质只是指那些对电磁辐射不散发或者很少散发的物质，它们主要通过引力场的作用对其他物质产生影响。
暗物质的存在可以解释目前宇宙的一些神秘现象。
比如，天体物理学中经常提到的星系旋转曲线问题，它表明恒星轨道运动与星系质量分布之间不符合引力定律。
引人注目的是，暗物质的存在能够为这一现象找到合理的解释。
然而，虽然暗物质的存在一直被推测和研究，但目前为止还没有直接观测到任何形式的暗物质。
因此，科学家们需要利用多种手段来寻找暗物质。
这些手段主要包括通过宇宙微波背景辐射以及星系、星系团中的引力透镜效应等遮蔽效应来探测暗物质。
此外，一些仪器也被设计出来用来探测相对论效应或者其他暗物质可能带来的影响。
虽然研究暗物质的道路十分艰难，但正是这种艰巨性和未知性，推动着暗物质研究事业不断向前。
二、宇宙射线除了暗物质，宇宙射线也是天体物理学中一个重要的研究课题。
宇宙射线是一种高能的粒子辐射现象，通常指来自宇宙的高能宇宙粒子。
这些粒子在空间中以相对论所描述的高速度运动，当它们与地球大气层碰撞时，就会产生射线的现象。
宇宙射线的存在可以追溯到1920年代，历经近百年的研究，已经在高能物理学、天体物理学和核物理学等领域中得到了广泛的应用。
对于宇宙射线的研究，主要分为两个方面。
一方面，科学家们对宇宙射线的起源、组成和演化进行研究。
另一方面，则是研究宇宙射线在地球上的作用、产生的射线效应以及对人类的影响等问题。
值得注意的是，宇宙射线研究也与暗物质研究有关。
暗物质的探测方法及理论模型
暗物质的探测方法及理论模型暗物质是一种不发射电磁波、能够穿透物质并对引力产生作用的神秘物质。
尽管它占据了相对宇宙总质量的约85％，不过目前我们对它的认知仍然非常有限。
在这篇文章中，我们将讨论一些暗物质的探测方法及理论模型。
一、直接暗物质探测目前直接暗物质探测是最主流的探测方式之一，这种方法主要利用暗物质粒子与普通物质之间的相互作用来探测暗物质的存在。
直接探测方法主要有两种：1.1闪烁体探测器闪烁体探测器利用暗物质粒子在物质中碰撞产生的光子闪烁效应来探测，其中之一较为著名的实验是LUX暗物质探测器实验。
这个实验利用液体氦和液体氖作为闪烁体，通过蒸气光电放大器来测量闪烁光子信号的能量分布。
然后通过与模拟的信号进行比较，来确定哪些信号是由暗物质粒子产生的。
1.2半导体探测器与闪烁体探测器不同，半导体探测器使用晶体管来传感暗物质粒子的信号。
固体材料可以提供极高的放射性排除，并且它们比传统的液体或气体探测器更容易进行精确测量。
其中之一被广泛使用的探测器是CDMS（Cryogenic Dark Matter Search）。
CDMS 是一个探测低温半导体的深地下实验，它的工作原理是基于暗物质粒子在半导体晶体中的离子化效应。
二、间接暗物质探测与直接暗物质探测相比，间接暗物质探测利用暗物质粒子在宇宙空间中的产生和衰变等过程来探测，这些过程会释放出一些暗物质不可见的粒子，这些粒子就是间接探测的目标。
主要的探测手段和方法有以下几种：2.1γ射线辐射γ射线辐射可以由暗物质衰变或暗物质粒子与普通物质相互作用后，产生带电粒子的过程中产生。
这些带电粒子原则上是能够探测到的，因为他们会发生大量的辐射并发射出高能γ射线。
目前我们已经探测到了很多这样的γ射线辐射例子，比如 Fermi 所测得的银河系中心方向的γ射线等。
2.2中微子探测中微子是没有电荷的、非常微小的基本粒子，但是由于它们的穿透力极强，所以它们是非常好的暗物质探测器。
探测暗物质的三种方式
当我．ｆＦ］ｔｒ．ｉＪ望夜 空 中光 华璀璨 的繁星 时 ，其实我 们只看 部分对 我们来说 是 隐藏 的。科学 家寻找 暗物质 ，就像和 幽灵捉迷 藏。暗 物质粒子 存在 的证 据都是 通
过引力相互作用发现 的 ，实验 中还 没有确定的暗物质信号被探 ｌ Ｊｌｌ神秘 的暗 物质 ，似乎 无处不在 ，
也 有 可能一 头撞 上原子 核这 个 “树 桩 ”＝被 暗物质粒 子撞眭 的原子核 会 起 发 光发
．
热 的现 象 ，或者 被撞 得偏 离 了原 来 的位 置 ，这些都 是科学 家 有可能探 测 到的
由于发生碰撞 概率很小 ，产生的信号也很 “微弱”，为了降低本底 ，通常需要把探测器放置在很深的地下
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现 在 已有 很 多宇 宙线 实验可 以开 展此 类的 暗物 质搜寻 工作 ：我 国首颗 暗物 质
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探 测卫星 “悟空 ”正 是采用 的这种探 测方式 ，我们 期望 “悟空 ”的重 大发现 ：ｖ
加速器探测法
丰 动 创 造 “暗 物 质 ” ＾
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还 －．种 方法是 加速器探 测 。主动 创造暗物 质 科学 家们用 大型质子 对撞机 ， 将两束高能粒子对撞产生暗物质粒子，也就是说在加速器上将暗物质粒子 “创造” 出来 ：
如果 我们把 足够高 的能量 浓缩 在极 小 的空间体 积之 内 ，就 像科 学家 在大 型强 子对撞机里进行占 粒子碰撞实验一样，这些能量就会转化为各式各样的粒子四散 奔逃 ：如果能量 足够高 ，理论上 就有可 能产 生 出暗物 质粒子
而 由于 喑物质粒 子是 “隐 身”的 ，无法被 周边 的探测器记 录到 ．即使 它被 “创 造”出来，也不会被探测器发现 ，只能通过其他可 以看见的粒子来推测出是否有 这样 的粒子 产生 虽然暗物 质粒 子不 能被直 接观察 到 ，但 它一 定会带 走 “能 量 ” （ “创造 ”暗物质粒 子需要 能量 ）．因此从 丢失 的能量 和分布 可 以推 测暗 物质 的 某 些性质 如果侦 破 了这 宗能量 失踪 案 ，就 能为 暗物质粒 子 的存在提 供证 据 ，因 此科 学家们 像是在一 片精彩 纷呈 的海洋 中寻找一 根看不见 的针 Ｖ
暗物质粒子探测卫星
科学目标
一是暗物质间接探测，也是最主要的；二是寻找宇宙射线的起源；三是伽马射线天体物理。
探测原理
悟空(6张)1.什么是高能宇宙射线？
指的是来自宇宙中具有相当大能量的带电粒子流，1912年由德国科学家韦克多·汉斯发现。他制作了一个电 离室，用于测量空气中的电离度（空气中的带电粒子数量）。同时期也有其他的科学家制作电离室，汉斯的创新 之处在于，他将电离室放在热气球上，这样在放飞前，能测量出地面的电离度，放飞后，能测量出不同海拔高度 的电离度。而汉斯的测量结果显示：海拔越高，电离度越大。
此次发射的暗物质卫星全部由中科院研制、生产。工程2011年立项，造价1亿美元，远低于国外同类探测器。
研发历程
01
成功发射
02
正式命名
04
完成束流实 验
06
国外现状
03
成立科学组
05
完成测试在 轨交付
2015年12月17日8时12分，我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭丁成功将暗物质粒子探测卫星 “悟空”发射升空，卫星顺利进入预定转移轨道。此次发射任务圆满成功，标志着我国空间科学研究迈出重要一 步。
2016年3月17日，我国空间科学系列首发星暗物质粒子探测卫星“悟空”圆满完成三个月的在轨测试任务， 顺利交付用户单位。
经过三个月的在轨测试，卫星的四大科学载荷——塑闪阵列探测器、硅阵列探测器、BGO量能器和中子探测 器功能性能稳定，上注至卫星的全部指令均正确执行，星地链路通畅，完成了所有既定的测试项目，卫星各项技 术指标达到或超过了预期。
卫星组成
主要目的：寻找暗物质粒子，研究暗物质特性与空间分布规律，探寻宇宙射线起源并观测高能伽马射线，有 望在物理学与天文学前沿带来新的重大突破。
暗物质知识点
暗物质知识点暗物质是宇宙中的一个重要物质成分。
虽然我们无法直接观测到暗物质，但通过间接证据以及数学模型，科学家们对暗物质的存在和性质有了一定的了解。
本文将介绍暗物质的概念、证据、性质以及对宇宙演化的影响。
一、暗物质的概念暗物质是指在宇宙中无法直接观测到的物质，它不会与光子产生相互作用，因此无法通过电磁波或者其他光学手段来探测。
然而，暗物质可以通过引力相互作用来影响其他物体，这也是科学家们发现暗物质的关键。
二、暗物质的证据1. 星系旋转曲线通过观测星系中恒星的运动轨迹，科学家们发现恒星距离星系中心越远，速度越高。
这与牛顿力学的预期不符，根据万有引力定律，恒星的速度应该随距离的增加而减小。
为了解释这一现象，科学家们提出了暗物质的概念，认为恒星受到暗物质的引力影响，从而保持高速运动。
2. 宇宙微波背景辐射宇宙微波背景辐射是宇宙大爆炸后产生的辐射，具有非常均匀的分布。
通过对宇宙微波背景辐射的观测，科学家们研究了宇宙的演化历史。
然而，观测结果显示宇宙微波背景辐射的分布存在微小的不均匀性，这需要通过暗物质的存在来解释。
三、暗物质的性质1. 组成暗物质的具体组成仍然是未知的，科学家们提出了一些可能的候选者，包括一种特殊类型的粒子，称为WIMP（弱相互作用巨大粒子）。
然而，尚未找到确凿的证据来证明这些候选者的存在。
2. 丰度根据对宇宙大爆炸的模拟以及对宇宙微波背景辐射的观测结果，科学家们估计暗物质的丰度约占宇宙总质量的27%左右，远远超过我们熟知的可见物质。
3. 作用方式由于无法直接观测到暗物质，科学家们通过模拟和推理来研究其作用方式。
暗物质主要通过引力相互作用来影响其他物体，从而形成星系结构以及空间大尺度的分布。
四、暗物质对宇宙演化的影响暗物质在宇宙演化中起到了重要的作用。
首先，暗物质的引力作用导致了星系的形成和分布。
其次，暗物质的分布对宇宙大尺度结构的形成起到了关键作用，例如星系团和超星系团的形成。
最后，暗物质的存在也影响了宇宙的膨胀速率，进而影响了宇宙的命运。
探寻宇宙边界：暗物质和暗能量的宇宙学意义
探寻宇宙边界：暗物质和暗能量的宇宙学意义宇宙是一个充满未知的奥秘的地方，而暗物质和暗能量则是其中两个最大的谜团之一。
在我们的宇宙中，约有27%的暗物质和68%的暗能量，但我们对它们的本质和性质知之甚少。
这两者是探索宇宙的边界和未来发展的关键问题之一。
本文将解析暗物质和暗能量的宇宙学意义，并介绍我们目前对它们的认识和最新研究进展。
暗物质：宇宙中的隐秘力量暗物质的发现历程暗物质最早是由瑞士天文学家弗里茨·齐威基斯于1933年提出的，当时他通过研究银河系中恒星运动的速度，发现存在一个大量未知物质的重力场，从而得出宇宙中存在着一种不发光、不与电磁波相互作用的物质。
后续的观测数据和研究表明，暗物质的存在可以解释由星系和星系团的运动状态、宇宙微波背景辐射等观测数据和宇宙学模型的矛盾之处。
暗物质的性质和作用暗物质是一种与我们所熟知的普通物质（如原子、分子）不同的物质，无法通过电磁波与之相互作用。
根据科学家的推测，暗物质可能由一种或多种粒子组成，其中最有可能的候选者是一种名为“WIMP”（Weakly Interacting Massive Particle）的虚拟粒子。
虽然暗物质不具备与电磁波的相互作用，但它通过引力对可见物质产生影响，使得星系和星系团能够保持稳定的结构。
暗物质的引力效应还可以通过对宇宙微波背景辐射的影响来间接观测到。
对宇宙学的意义和挑战暗物质在宇宙学中扮演了重要的角色，它对宇宙结构的形成和演化产生了巨大影响。
暗物质密度的分布影响了宇宙的大尺度结构，如星系的形成、星系团的演化等。
研究暗物质的性质和分布可以帮助我们更好地理解宇宙的演化历史和结构形成的机制。
然而，暗物质的本质仍然是一个谜团。
科学家通过多种方法进行暗物质的探测，如宇宙射线观测、高能粒子实验、地下探测器等，但迄今为止还没有直接探测到暗物质的粒子。
暗物质的研究面临许多挑战，如如何建立更好的探测方法和寻找新的探测手段等。
暗能量：加速膨胀的驱动力暗能量的发现历程暗能量是在20世纪90年代被观测发现的新物质，它是一种负压力或者反重力的物质，对宇宙膨胀起到了加速的作用。
如何探测暗物质的存在
如何探测暗物质的存在在广袤无垠的宇宙中，存在着一种神秘莫测的物质——暗物质。
它如同宇宙的幽灵，难以被直接观测到，却又对宇宙的演化和结构起着至关重要的作用。
那么，科学家们是如何尝试探测暗物质的存在呢？首先，我们要了解一下为什么暗物质如此难以捉摸。
暗物质之所以被称为“暗”物质，是因为它不与电磁辐射相互作用，这意味着我们无法通过常规的光学或电磁波手段直接观测到它。
我们所熟知的恒星、行星等天体，都可以通过电磁波的反射、发射或吸收来被探测，但暗物质却几乎完全“隐身”于我们的常规观测手段之外。
目前，科学家们主要通过以下几种方法来探测暗物质的存在。
一种常见的方法是引力透镜效应。
根据爱因斯坦的广义相对论，质量会使时空弯曲，光线在经过大质量天体附近时会发生弯曲。
当遥远星系发出的光线在经过中间存在大量暗物质的区域时，光线的路径会发生弯曲，从而导致我们观测到的星系图像发生扭曲或变形。
通过对这些扭曲图像的精确测量和分析，科学家们可以推测出暗物质在宇宙中的分布情况。
另一种重要的探测手段是通过星系团中的热气体观测。
星系团中包含着大量的星系和高温气体。
通过X射线望远镜观测这些热气体的分布，可以发现热气体的质量远远小于根据星系团的引力效应所推算出的总质量。
这之间的质量差就被认为是由暗物质所贡献的。
还有一种方法是通过宇宙微波背景辐射的观测。
宇宙微波背景辐射是宇宙大爆炸的余晖，是一种均匀分布在整个宇宙空间的微弱电磁波。
通过高精度的观测仪器，科学家们可以测量宇宙微波背景辐射中的微小温度和偏振变化。
这些变化可以提供有关暗物质在早期宇宙中的分布和性质的信息。
除了上述的间接探测方法，科学家们也在尝试直接探测暗物质粒子与普通物质的相互作用。
一种常见的实验装置是在地下深处建立大型探测器。
之所以选择在地下深处，是为了屏蔽来自宇宙射线和其他背景辐射的干扰。
这些探测器通常使用极低温的晶体或液态惰性气体等材料，期望能够捕捉到暗物质粒子与探测器中的原子核发生碰撞所产生的微弱信号。
揭秘宇宙之谜——暗物质探索的最新成果
揭秘宇宙之谜——暗物质探索的最新成果自古以来，浩瀚的星空总是激起人类无尽的好奇。
科学家们一直在尝试解读宇宙最深处的秘密，而其中最为神秘莫测的非暗物质莫属。
尽管我们无法直接观测到暗物质，它却不言自明地通过引力影响着星系的旋转、宇宙的大尺度结构形成，乃至整个宇宙的演化历程。
近年来，随着科技的飞速发展，人类在探索这一隐形宇宙成分方面取得了显著进展。
国际上多个科研团队利用地面和空间望远镜，通过对遥远星系的观测以及宇宙微波背景辐射的研究，不断收集关于暗物质性质和分布的数据。
最新的发现之一来自深场多波段天空观测，科学家们通过分析引力透镜效应，推断出在星系团后方存在的暗物质“晕”的质量分布情况。
这些研究提供了对暗物质密度分布及其与其他宇宙组分相互作用的新见解。
除了观测手段，粒子物理学家也在努力从理论和实验上来揭开暗物质的面纱。
大型强子对撞机(LHC)等粒子加速器试图通过高能碰撞实验产生暗物质粒子，虽然直到目前为止尚未直接探测到暗物质粒子，但相关的实验却在不断排除一些理论模型，缩小搜索范围。
值得一提的是，暗物质的间接探测也取得了突破。
通过探测高能宇宙射线以及伽马射线等信号，科学家们试图捕捉到暗物质粒子湮灭或衰变的迹象。
例如，伽马射线空间望远镜已经观察到某些宇宙区域发射出的高能伽马射线超出常规天体物理过程的预期，这或许与暗物质有关。
另一方向的研究聚焦于暗物质与已知物质之间的微弱相互作用，如暗物质风。
一些天文观测结果显示，高速运动的星系际气体受到未知力量的影响，这可能是由于暗物质的作用。
这类发现不仅挑战了我们对暗物质特性的理解，也为寻找其粒子性质提供了新的线索。
尽管我们对暗物质的认识还远远不够完整，但每一次的探测尝试和理论发展都为我们描绘出更加清晰的宇宙图景。
未来的研究将依赖于更高精度的观测设备和更为深入的物理理论，以期终有一日能够揭开暗物质这一宇宙构成之谜。
空间探测暗物质简介
摘要宇宙线的探测分为地面探测和空间探测。
地面探测测量的是高能宇宙线(大于100TeV)在大气中产生的簇射的前锋面。
由于低能宇宙线在大气中产生的簇射不能到达地面，所以要探测低能的宇宙线就需要把探测器送到大气层外部。
空间探测宇宙线的优点是能测量低能宇宙线，并且能区分宇宙线的种类。
暗物质间接探测就是在宇宙线中寻找暗物质湮灭或者衰变产生的信号，表现在宇宙线能谱上就是各种超出。
所以需要准确区分宇宙线的种类，并且精确测量宇宙线的能谱。
在文章中，作者将介绍宇宙线的相关理论以及空间探测暗物质的研究现状，并详细介绍将于2015年底发射的暗物质粒子探测卫星，讨论其在暗物质间接探测方面的各种优势。
关键词宇宙线，暗物质，空间天文Abstract There are two methods to measure cosmic rays,namely,ground detection andspace detection.Each has its own advantages and disadvantages.Ground detection measures air showers at ground level produced by high energy (greater than 100TeV)cosmic rays.As showers of low energy (less than 100TeV)cannot reach the ground,to measure them we need to launch the detectors into space.Space detection can not only measure low energy cosmic rays but also identify their charge.The indirect detection of dark matter particles measures the signal produced by their annihilation or decay,which are of all kinds in the energy spectrum of cosmic rays.Hence,we need to make precise measurements of the spectrum and distinguish each component type.In this paper we will review cosmic ray physics and the status of dark matter detection.The dark matter explorer satellite which will be launched at the end of this year and its advantages in indirect detection will also be discussed.Keywordscosmic ray,dark matter,space astronomy暗物质探索专题*国家重点基础研究发展计划(批准号：2013CB837000)资助项目；中国科学院战略先导专项(批准号:XDA04040000)1宇宙线简介奥地利科学家Victor F.Hess 在1912年研究不同海拔高度的空气电离度时发现，海拔越高空气电离度越大[1]。
阿尔法磁谱仪与暗物质
阿尔法磁谱仪与暗物质作者：佚名辅导来源：本站原创点击数：357 更新时间：2007-2-16一、阿尔法磁谱仪1、阿尔法磁谱仪简介阿尔法磁谱仪（Alpha Magnetic Spectrometer，简称AMS）是人类送入宇宙空间的第一个大型磁谱仪，于1998年6月2日—12日由美国发现号航天飞机搭载，成功地进行了首次飞行，并将于2003年送到阿尔法国际空间站上运行3到5年．阿尔法磁谱仪是丁肇中教授领导下的一个大型的国际合作科学实验项目．这项雄心勃勃的研究计划的主要目标是寻找太空中的反物质和暗物质，探索天体物理、粒子物理和宇宙论的重大疑难问题．包括美国、中国、俄国、意大利、瑞士、德国、芬兰等10多个国家和地区的37个研究机构的物理学家和工程师参加了这个计划．中国科学院电工研究所、高能物理研究所和中国运载火箭技术研究院等单位参加了这项重大的国际科学研究的合作项目，并在其中发挥了关键的作用．下图即为阿尔法磁谱仪的近照。
2、阿尔法磁谱仪的物理目标阿尔法磁谱仪实验包括三大主要物理目标，它们反映了当今物理学和天体物理学最重要的基础理论之谜．这三大物理目标分别是：寻找宇宙中的反碳核、反氦核及其他更重的反核来确定宇宙中是否存在反物质；寻找宇宙中可能存在的暗物质；精确测量宇宙中各种同位素的丰度和高能γ，并探索未知的物理现象．微观世界的粒子都存在相对应的反粒子，反粒子具有和粒子完全相同的质量和相反的电磁性质．反粒子由狄拉克预言，1932年在实验中首先发现了电子的反粒子——正电子．组成我们周围世界的物质的原子核是由质子和中子组成，带正电．所谓反物质，它的原子核是由反质子和反中子组成，带负电荷．宇宙中是否存在反物质是科学的一大难题．根据目前公认的大爆炸学说，宇宙是由大约在150亿年前的大爆炸产生的．大爆炸后，宇宙在不断地膨胀和冷却．大量的天文学观察和天体物理实验结果支持了这个理论．然而根据粒子物理理论，大爆炸理应产生同样数量的物质和反物质．迄今为止，所有的实验都没有在宇宙中观察到反物质的存在．宇宙中究竟是否存在反物质？这是目前粒子物理学家和天体物理学家关注的焦点之一．探测反物质的关键是必须把包括一个强有力的磁铁的探测器送入太空以测量宇宙中的原子核的电荷．几十年来，物理学家提出过各种方案企图将磁谱仪送入太空，但由于无法制造一个可以在太空运行的磁铁而未能如愿．中科院电工所利用多年来在研究核磁共振永磁体方面取得的丰富经验，提出了完全利用钕铁硼永磁材料的独特设计方案．它的磁场强，漏磁非常小，磁二极矩几乎为零，完全能满足AMS实验在空间运行的要求．丁肇中教授采用了电工所的设计方案．中国科学家和工程师研制出了人类送入太空的第一个磁铁，使物理学家几十年来的梦想成为现实．当今天体物理和宇宙论的另一大难题是寻找暗物质．天文学的观察和研究发现宇宙中90％的物质无法用光学的方法探测到．天文学上把宇宙中用光学方法看不到的物质称做暗物质，暗物质的起源和组成长期以来一直是一个谜．超对称理论支持这样的观点，即暗物质是由弱作用荷粒子（Weakly Interacting MassiveParticles，简称WIMPs）组成的．这一理论可以用直接测量银河系环中的WIMP’s的湮灭产物来验证．当暗物质粒子和反粒子湮灭时会产生质子反质子对、正负电子对和γ．AMS 能精确地测量反质子能谱、正电子能谱以及高能γ谱．因此AMS将为解开困扰物理学家数十年的暗物质之谜提供非常重要的信息，进而有可能给出这一极富挑战性的重大疑难问题的答案．阿尔法磁谱仪能对宇宙线进行非常精确的测量并由此产生许多新的有意义的物理信息．宇宙线即来自太空的高能粒子，它们在大气层顶部产生簇射并击中地球．这些高能原子核已由无数的地面实验和大气实验进行了长期的研究．与这些实验不同，AMS将运行在离地面三百多公里的太空中，从而能够探测到未和大气原子发生碰撞的原始的宇宙线．AMS将测量不同同位素的比例，如铍－10和铍－9丰度比．由于铍-10的半衰期约为100万年，如果丰度比高则说明绝大部分宇宙线很年轻，小于100万年，如果丰度比低则说明铍－10在宇宙中飞行过程中大部分已发生衰变．AMS能够对铍－10和铍－9丰度比进行高统计量高精度的分析，从而高精度地确定宇宙线在银河系中的禁闭时间，确定宇宙线穿过的天体物质的平均密度，从而确定宇宙线在银河系环中滞留的时间．阿尔法磁谱仪还能对宇宙中其他各种同位素的相对丰度进行精确的测量．这些测量结果将会回答宇宙论和天体物理学中的许多重大问题．作为人类送入太空的第一个磁谱仪，这个实验很可能会有意外的重大发现．因此，阿尔法磁谱仪引起了世界各国科学家的极大兴趣．它是目前在阿尔法空间站上计划的唯一的大型科学实验．3、阿尔法磁谱仪的结构阿尔法磁谱仪由永磁体和一组精密探测器两部分组成．图1显示阿尔法磁谱仪的内部结构．在永磁体产生的磁场中，带正电的粒子（正物质）向一个方向偏转，而带负电的粒子（反物质）向另一个方向偏转．永磁体内部的精密探测器测量粒子的动量、速度、电荷及粒子穿过探测器时的位置，从而鉴别出粒子的类型．实现AMS科学目标的关键是一个能在宇宙空间条件下运行的强磁体，以区分带电粒子的电荷的符号，精确测量它们的动量，并配合其他测量，识别粒子种类．能在空间条件下运行的大型磁体必须满足以下基本条件：●功率消耗低，不能高于数百瓦．●漏磁必须非常小，不影响航天飞机和空间站上各种仪器设备的正常运行．●磁二极矩必须非常小，不致于在地球磁场下产生转动．●能经受航天飞机起飞和着陆时的剧烈振动和巨大的加速度．过去数十年来，物理学家一直期望能将磁谱仪送入宇宙空间，提出多种方案，但由于无法造出满足上述条件的磁铁而无法实现．中国科学院电工研究所、高能物理研究所和中国运载火箭计术研究院设计和研制了AMS永磁体系统，并成功地进行了各项空间环境模拟试验，成功地研制出了人类送入宇宙空间地第一个大型磁体系统，完全符合美国宇航局的各项要求．这个大型磁体系统包括永磁体和机械结构两大部分．永磁体为圆柱形，内径1114mm高800mm，中心磁场强度为1370高斯．机械结构支撑总重量为3.2吨的AMS磁铁和所有探测仪器．AMS内部探测器由以下部分组成：（1）飞行时间计数器飞行时间计数器由闪烁体和光电倍增管组成，在AMS的顶部和底部分别安装有两个平面，时间测量精度达一百亿分之一（10－10）秒．当粒子穿过谱仪时，飞行时间计数器记录粒子飞行的时间、距离和动量，从而确定粒子的质量．飞行时间计数器的作用为：●当粒子穿过谱仪时提供一级触发信号；●测量粒子的飞行速度，排斥上行（albedo）原子核；●测量粒子的电荷量；●提供反符合信号．（2）硅微条径迹探测器AMS的硅微条径迹探测器由L3实验的硅微条顶点探测器发展而来，共由六层圆形双面硅微条探测器组成，放在磁场中．硅微条顶点探测器用于精确测量带电粒子的动量矢量和粒子的电荷．由于AMS是通过测量带电粒子在磁场中的偏转来确定粒子的动量的，因此要求硅微条径迹探测器对带电粒子的位置测量有很高的精度．AMS的硅微条径迹探测器的位置测量精度在偏转方向为10微米，在非偏转方向为30微米．这样的精度是前所未有的．（3）切仑可夫计数器切仑可夫计数器的主要作用是用来区分反质子和电子，正电子和质子．AMS的切仑可夫计数器所用的介质为气凝硅胶．由于气凝硅胶的光折射率正好使高能电子在其中产生切仑可夫辐射而同时质子和反质子不会在其中发生切仑可夫辐射，原因是电子的质量轻，质子和反质子的质量很重，因此，切仑可夫计数器可以很好地将同样带负电的电子和反质子区分开．切仑可夫计数器由两层共168块气凝硅胶组成，每块气凝硅胶为11×10cm2，分别和两个光电倍增管相联用于测量切仑可夫光．切仑可夫计数器安装在AMS探测器的最底部．（4）反符合计数器反符合计数器是由16个塑料闪烁体模块组成的桶状探测器，包围在硅微条探测器的外面．反符合计数器和飞行时间计数器配合用来排斥从AMS侧面进入或在探测器内产生的粒子造成的本底信号，这些本底粒子可能会在事例重建时造成混淆而将正原子核误判成反原子核．反符合计数器同时还排斥从探测器内部直接穿出AMS侧壁的粒子．反符合计数器的失效率必须小于10－4．中国科学院高能物理研究所承担了反符合计数器初样的设计、研制、测试和空间环境模拟试验工作，并参加了它的飞行件的设计、研制和测试．（5）触发及数据采集系统当AMS在太空中飞行时，进入探测器的粒子多达10kHz．穿过AMS有效体积的粒子也将达到500Hz．触发系统即为了从中选出这些粒子，根据粒子的电荷作初步的分类．根据这样的分类再尽可能高效率地选出我们感兴趣的粒子并排除掉本底粒子．AMS采用了三级触发判选：●一级触发判选利用飞行时间选择仅有一个带电粒子穿过探测器灵敏区的事例；●二级触发判选通过检验硅微条探测器中的径迹击中点来排斥穿过带负电粒子径迹的带正电的粒子；●三级触发判选根据电荷符号和电荷量完成事例的分类并选择需要记录下来的事例．通过触发判选后的事例数据记录到计算机硬盘上，同时通过卫星的Ku－波段传回地面上的AMS控制中心．4、阿尔法磁谱仪电子学软件及地面系统为了保证AMS 能够可靠地采集、传送和分析数据，AMS设计开发了一整套复杂的电子学、软件、地面支持系统．这一系统是AMS的生命线，担负监测控制探测器各部分的运行状态、从各个探测器采集数据并将数据传回地面等工作．AMS的电子学系统用来对探测器进行监视控制、数据采集和传输．这一系统由高能物理实验技术发展而来，同时又要适应太空环境要求．对其进行了严格的加速度、振动、温度变化、真空、抗辐射以及电磁干扰等试验．为了保证数据采集的可靠性，电子学系统采用了足够的冗余度．AMS的软件系统包括三部分，分别是控制软件（Onboard Software），在线软件（Onlin Software）和离线软件（Offline Software）．控制软件由监测和控制软件、数据采集软件和飞行控制软件组成．在线软件接收来自探测器各监控单元的慢数据流和探测器采集的物理数据流（快数据流）．这些数据被用来进行事例分类分析并记录下来．在线软件同时还接收来自美国宇航中心的有关飞行器位置、速度等信息的数据，这些数据将传送给控制系统对探测器进行控制调整．离线软件对从探测器采集到的物理数据进行分析处理以获得有趣的物理结果．另外，离线软件还用来对探测器进行模拟并和实验数据作比较．AMS采集的数据首先通过Ku-波段传送给数据通讯卫星，再送回地面控制中心．地面控制中心对数据进行分析处理并对AMS进行操纵．地面控制中心还和宇航控制中心保持联系．5、阿尔法磁谱仪的首次飞行阿尔法磁谱仪搭乘美国发现号航天飞机于1998年6月2日下午6时8分（美国东部夏令时）升空，经过10天的成功飞行，于6月12日下午安全返回肯尼迪空间中心．本期封底是从和平号空间站上拍摄的发现号航天飞机，AMS在飞机的尾部．AMS在首次飞行中工作正常，探测器在升空后3小时开始正常工作．分析表明AMS数据质量很好，能正确区分各种粒子，测量精度也达到了预期要求．AMS观测到了原初宇宙线粒子，包括质子，各种原子核，也看到了反质子．观察到的反质子并不等于观察到了反物质．反物质是指反氦核，反碳核等．反质子可能是通常宇宙线粒子碰撞产生的次级粒子．发现号航天飞机于6月4日下午1点与和平号空间站对接，6月8日中午12点与和平号空间站分离．此期间AMS继续采集数据，没有任何影响．AMS在整个飞行过程中共获取了超过200小时的数据，约获得3亿个事例，80％左右为质子，20％左右为各种原子核．通过对10％的数据进行的初步分析，丁肇中教授6月10日在休斯顿的记者招待会上公布了一些初步的结果，苏黎士联邦工学院的霍夫教授6月12日也在日内瓦欧洲核子中心作了AMS首次飞行的报告，公布了一些初步结果，引起物理学家的极大兴趣．中国研制的永磁体和机械结构经受了起飞和着陆的考验，工作正常，受到各国科学家的高度赞扬．目前，AMS已从美国运回欧洲进行全面的测试．AMS的全部数据也已同四台大型计算机一起运回日内瓦的欧洲核子中心进行深入的分析．中国科学院高能物理所早已建立了分析AMS数据的环境，并通过计算机网络获得数据进行分析，相信会获得重要的物理结果．6、阿尔法磁谱仪的未来为了准备在阿尔法空间站上长期工作，AMS将进一步改进性能，增加新的探测器．改进后的探测器预计将于2003年用航天飞机送到阿尔法国际空间站，运行3到5年，实现其寻找宇宙中的反物质和暗物质的目标，以及多项有关天体物理和宇宙论的重大物理问题的测量工作．中国科学院高能物理所的物理学家将承担如电磁量能器的研制等重要的工作以及后续的大量研究工作，为AMS物理及高能天体物理的发展作出贡献．（中国科学院高能物理研究所北京100039）陈和生二、阿尔法磁谱仪中的物理知识1998年6月3日凌晨，随着白色烟柱的延伸，举世瞩目的美国“发现号”航天飞机从肯尼迪航天中心顺利发射升空．阿尔法磁谱仪乘“发现号”航天飞机进入太空，寻找宇宙中可能存在的反物质．只要磁谱仪能发现一个反氦核，将可推断宇宙中存在反星系，发现一个反碳核，就能推断有反星球的存在，那将极大推动宇宙科学的发展．虽然阿尔法磁谱仪的结构很复杂，任务很神秘，但它工作的基本原理却是高中物理中带电粒子在磁场中运动的知识．阿尔法磁谱仪的核心部分是由我国科学家和工程师经4年努力研制的永磁体，直径1.2米，长0.8米，重2×103千克，它的作用是产生一个很强的磁场．当宇宙中的带电粒子穿过这个磁场时，磁场就对它施加洛仑兹力使之发生偏转，这时，记录有关数据，再用电子计算机进行数据处理，从而确定是否有反质子、反氦核乃至反碳核穿过．如图1为磁谱仪的截面示意图，永磁体产生方向垂直纸面向里的磁场，图中“×”表示磁场方向，a、b、c分别为宇宙中的三个带负电、不带电、带正电的粒子．当它们以一定的速度v沿图示方向穿过磁场时，b粒子由于不带电，磁场对它没有洛仑兹力，因此b粒子不偏转而沿直线穿过磁场；带负电的a粒子穿过磁场时，磁场对它施加方向向左（根据左手定则）的洛仑兹力，它就向左偏转；而带正电的c粒子穿过磁场时，同样根据左手定则，磁场对它施加方向向右的沦仑兹力，它就向右偏转，三个粒子的运动路径如图1所示，这样只要根据粒子的偏转方向就可判断宇宙粒子的电性．当然这还无法判断带电粒子的种类，还要测出带电粒子的带电量与其质量之比，即荷质比方可确定．那么怎样确定带电粒子的荷质比呢？大家知道，带电粒子在匀强磁场中做圆周运动的轨道公式为只要测出偏转半径R和穿过磁场的速率v就可计算出荷质比（磁感强度B可事先测出），而这两个物理量可利用电子计算机对带电粒子穿过磁场时所记录的数据进行处理就可获得．这样综合带电粒子的电性和荷质比就可确定在穿过阿尔法磁谱仪的带电粒子中是否有反物质了．三、探测反物质和暗物质的磁谱仪由诺贝尔奖获得者丁肇中教授领导的空间探测反物质、暗物质的磁谱仪计划（AMS），是人类第一次用磁谱仪在太空进行物质、反物质和暗物质探测的科学实验．寻找太空中的反物质和暗物质是目前天体物理、粒子物理和宇宙论面临的重大疑难问题．根据目前公认的大爆炸学说，宇宙是由大约在150亿年前的大爆炸产生的．大爆炸后，宇宙在不断地膨胀和冷却．大量的天文学观察和天体物理实验结果，支持了这个理论．然而根据粒子物理理论，大爆炸应产生同样数量的物质和反物质．组成我们周围世界的物质的原子核是由质子和中子组成，带正电荷．所谓反物质，它的原子核是由反质子和反中子组成，带负电荷．迄今为止，所有的实验都没有观察到反物质的存在．探测反物质必须包括一个强磁场的磁铁探测器，来区分太空中飞行的原子核的电荷符号．当今天体物理和宇宙论的另一大难题是寻找暗物质．天文学上把宇宙中用光学方法看不到的物质称作暗物质．但是通过分析星系的运动规律，可以推出宇宙空间物质的总量．最近，天文学的观察和研究发现：暗物质在宇宙中大约占90％．这个结论使天体物理学和粒子物理学家大为震动．这些暗物质究竟是什么？众说纷纭．而用实验寻找这些暗物质则成为当今科学的又一难题．磁谱仪能够精确测量在太空中反质子、正电子和光子的能量分布，进而有可能给这一极富挑战性的重大疑难问题以正确答案．四、暗物质研究简介著名美籍华人科学家李政道博士在访问上海交大时指出，在世纪之交时，物理学的4个前沿领域分别是：暗物质研究、类星体和活动星系核研究、自由夸克寻找，引力与超对称．本文仅就有关暗物质研究的内容和取得的成果作一简略介绍． 1 暗物质的提出1929年埃德温·哈勃的宇宙膨胀的发现表明，如果你把星系现在的运动往时间的过去方向倒溯，它们在一百五十亿到二百亿年前之间的某一时刻似乎它们应该重叠在一起，在这个称为大爆炸奇点的时刻，宇宙的密度和时空的曲率应为无穷大．宇宙从非常小的尺度开始膨胀，最初的膨胀称为暴涨，也就是说宇宙的尺度在比一秒还要短的时间内至少增加一百万亿亿亿倍．按照量子力学的不确定性原理，早期的宇宙不能是完全均匀一致的．其结果是在暴胀时期结束之后，留下的宇宙是一些地方比另一些地方膨胀的稍慢一些．在膨胀稍慢的区域，物质的引力吸引使膨胀进一步减慢．该区域最终会停止膨胀，并且收缩形成星系和恒星．这就是关于我们的宇宙起始学说．宇宙的未来又将是怎样的呢？物理学家在予言宇宙遥远未来时指出：宇宙的平均密度是一个关键的值．宇宙的平均密度大于某个临界值，引力吸引将使正在膨胀中的宇宙最终停止膨胀，而开始重新收缩．宇宙就会坍缩到一个大挤压，这和启始宇宙的大爆炸相当相似．大挤压是被称作奇性的一个东西，是具有无限密度的状态．反之，如果宇宙的平均密度小于该临界值，宇宙将不会坍缩，而会永远膨胀下去．其密度在一段时间之后会变得如此之低，引力吸引对于减缓膨胀没有任何显著的效应．星系间会继续以恒常速度相互离开．我们知道，宇宙的临界密度为10－30g／cm3～10－28g／cm3之间的某个值，宇宙的平均密度到底是多少？我们可以通过观测来估计宇宙的平均密度．我们把看得见的恒星质量和气体云的质量相加，它们的总数仅为临界值的百分之一左右．难道宇宙就永远膨胀下去了吗？不，不一定，物理学家指出，宇宙中还存在我们不能直接观测到的物质，那就是所谓的“暗物质”． 2 暗物质存在的证据暗物质存在的第一个证据来自于螺旋星系．螺旋星系是存在恒星和气体的巨大的饼状聚合体．由观测知道它们围绕着自己的中心旋转．但是如果它们只包含我们观测到的恒星和气体，则旋转速率就高到足以把它们甩开．事实上它们没有被甩开，而继续围绕其中心在高速旋转，因此，在螺旋星系中必然存在某种看不见的物质形式，其引力吸引足以把旋转的星系牢牢抓住，而不被甩开．暗物质存在的另一个证据来自于星系团．我们观测到的星系在整个空间中分布得不均匀，它们成团地集中在一起，其范围从几个星系直到几百个星系．通过观测发现这些星系团中的个别星系的运动速度是如此之高，要不是引力吸引把星系抓到一起，这些星系团就会飞散开去．估算表明，能够把它们吸引成团所需要的质量比所有星系的总质量都要大很多，因此，在星系团中除我们观测到的星系以外必然存在另外的物质，即所谓暗物质．人们可以对具有确定证据的那些星系和星系团中的暗物质的质量作一个相当可靠的估算．但是这个估算值仍然只达到要使宇宙重新坍缩的临界质量的百分之十左右．为此，相信宇宙不会永远膨胀下去而最终会坍缩的物理学家预言还可能存在其它种类的暗物质，这些暗物质必须存在于星系和星系团之外，否则的话，我们应能觉察到它对星系旋转或星系团中星系运动的效应．相信宇宙中还存在其它种类的暗物质的物理学家指出．如果宇宙只具有十分之一的临界密度，现已存在的宇宙就无法理解．因为如果宇宙只具有十分之一的临界密度，需要极其仔细地选取初始的密度和膨胀率．如果大爆炸后一秒钟宇宙的密度大了一万亿分之一，宇宙就会在十年后坍缩．另一方面，如果那时宇宙的密度小了同一个量，宇宙在大约十年后就变成基本上空无一物．所以要理解现在存在的宇宙，宇宙的平均密度必须非常接近临界密度． 3 暗物质存在的形式如果暴涨理论是正确的，必须存在有额外的暗物质会是什么呢？它似乎和构成恒星和行星的正常物质不同．它们可能是宇宙极早阶段的残余．基本粒子是一种可能性，最有希望的是中微子．它被认为自身没有质量，但是最近，一些观测暗示，中微子可能有小质量，如果这一点得到证实并发现具有恰好的数值，中微子就能提供足够的质量，使宇宙密度达到临界值．黑洞是暗物质存在的另一种可能形式．在宇宙的早期可能经历过所谓的相变．在相变过程中，形成的黑洞，如果质量较小，它们由于量子力学的不确定性原理的效应，迄今已被蒸发始尽．但是，如果它们超过几十亿吨（一座山的质量）则现在仍然存在，并且很难被探测到．黑洞存在的证据已见报导[1]．由美日天文学家组成的一个研究小组宣称，他们在距地球2100万光年处的一个星系内发现了存在庞大“黑洞”的证据，这一黑洞是太阳质量的4000万倍．在此之前，美国航空航天局于1994年5月底宣布，“哈勃”太空望远镜上携带的广视野星际照相机摄取了距离地球5000万光年的M87星系中的旋涡状气体云盘中，也存在“黑洞”的结论性证据．对于在宇宙中均匀分布的暗物质，它对宇宙膨胀的效应是唯一探测其存在的方法．由测量遥远星系离开我们而去的速度便可确定膨胀的减慢程度．但是目前遇到的麻烦是星系的表观亮度不能很好地标度星系离开我们的距离．这必须等到我们发展出更好的测量星系距离的手段后才行．注：本刊根据《霍金讲演录》和《中国科学报》有关资料整理成此文．（江苏金湖县吕良中学211621）姚家东五、反物质的发现1996年1月4日，欧洲核子研究中心宣布制造出9个反氢原子，从而在世界上第一次制造成了一种反物质．同年11月12日，美国费米实验室利用对撞机又制造出7个反氢原子，进一步实现了长期以来人类制造反物质的愿望．早在1928年，英国物理学家狄拉克在研究相对论性量子力学的过程中，就已经从理论上预言了正电子的存在．1932年，美国物理学家安德逊在宇宙射线的研究中发现了正电子，从而证实了反粒子的存在．正电子发现后，科学工作者相继又发现了一系列反粒子．1953年在β衰变的研究中发现了反中微子．1955年，美国物理学家张伯伦等在美国伯克利实验室6.8GeV质子同步加速器上又成功地发现了早已预言的反质子．反质子发现以后不久，1957年意大利的西格雷和美国的皮奇奥尼又发现了反中子．1960年，我国物理学家王淦昌又发现了反西格马负超子．这样，在研究物质结构的过程中，人们总共发现了300余种粒子，其中正、反粒子几乎各占一半．这就是说，每一种粒子都存在着一种与它对应的反粒子．反粒子的发现是20世纪物理学的巨大发现之一，并且生动地说明了物质世界的对立统一性．粒子和反粒子具有相同的质量、电量、自旋、寿命和磁矩等，但它们的一切内部相加性守恒量的符号相互反号，对称性守恒量可以用相应的量子数描述，内部相加性量子数有电荷数、同位旋量子数、奇异数、轻子数、重子数、粲数和底数等．相加性量子数的符号相反将会导致电荷、磁矩等的符号相反．根据粒子和反粒子的性质，我们可以把所有的粒子分为两类．一类叫马约喇纳（Majorana）粒子，其特点是它们的一切内部相加性量子数都为零，因而粒子和反粒子完全相同．例如，γ粒子、π°介子和η°介子等的反粒子就是它自己，因而又称为纯中性粒子．另一类叫狄拉克（Dirac）粒子，它的特点是粒子和反粒子不完全相同．例。
深空探测技术堪称人类科学史上巅峰之作
深空探测技术堪称人类科学史上巅峰之作人类的探索精神和对未知的好奇始终驱使着我们向更远的地方探索。
深空探测技术作为人类科学史上的巅峰之作，不仅令我们对宇宙的认识更加深入，还带来了无限的想象空间和未来发展的新机遇。
深空探测技术的突破深空探测技术的突破从20世纪中期开始，人类开始传送无人飞船和望远镜到太空中以观察和研究宇宙现象。
随着技术的进步，深空探测任务变得越来越复杂和远大，探测器飞离地球，前往更远的行星、恒星甚至星系。
火星、木星和土星等行星成为深空探测的重要目标，人类开始揭示它们蕴藏的秘密。
深空探测技术的意义深空探测技术的意义不仅仅在于满足人类对未知的好奇心，更在于促进科学的发展和推动人类社会的进步。
通过深空探测技术，我们可以对宇宙起源、行星形成、生命的存在等基本问题有更准确的答案。
这些科学发现对于人类文明的进步有着重要的意义，为我们提供了更广阔的知识和更深入的思考。
深空探测技术的应用深空探测技术的应用广泛而多样。
首先，在天文学方面，深空探测技术使我们能够观测到遥远星系的形成和演化过程，研究宇宙的扩张和暗物质的性质。
其次，在地球科学领域，深空探测技术的成果帮助我们更好地理解地球自身的起源和演化，解决地球环境和气候变化等问题。
此外，在生物医学领域，深空探测技术的影响同样巨大，研究太空中的微重力环境如何影响人体健康，以及生物在太空环境中的适应能力。
这些研究结果有望为医学疾病和长期太空探索提供重要的参考和保障。
深空探测技术的挑战深空探测技术的发展并非一帆风顺，面临着重重挑战。
首先，长时间的太空飞行对航天器的稳定性和可靠性提出了高要求，而太空环境的极端条件如辐射、冷热变化等更是考验航天器的工作性能。
其次，太空探测任务涉及到多个学科的综合运用，需要工程技术、物理学、化学、地球科学、生物医学等领域的专业知识。
最后，太空探测任务的高成本也是一个挑战，需要大量的资金和资源投入。
未来展望尽管深空探测技术面临挑战，但其未来发展前景仍然非常广阔。
暗物质的空间探测.ppt
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/γ射线：与靶物质的电子发生散射
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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，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，……
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]:
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？
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
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PAMELA
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 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，……
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PAMELA
飞行时间探测系统（ 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， 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
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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
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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
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
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
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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.
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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，
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
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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
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。
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
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
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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பைடு நூலகம்
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：
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
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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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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，…… ， ，
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
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
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， ×