暗物质的空间探测.ppt
暗物质与暗能量 75页PPT文档
T=2.726K
nγ 400(T/2.7K)3 cm-3
Hubble关系：
Z=(λ-λe)/λe=(H0/c)D
H0=100h0 km/(s.Mpc) h0 0.71±0.07
重子-光子比： η = nB/nγ ∼ 10-10
轻核素丰度： 4He：0.22Y0.24 D/H1.810-5
2019/8/4
陆 埮 中科院 紫金山天文台
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暗物质存在的其他证据
宇宙结构（恒星、星系）形成所需的物质远多 于宇宙核合成定出的重子物质。
如果没有暗物质，就没有足够的时间形成今天 宇宙的结构。有了暗物质，就可以在复合期前 在暗物质中形成增长。
CMB非各向同性的存在， 10－5。
······
暗物质与暗能量
陆 埮 (T. Lu)
暗物质与暗能量 是在宇宙学研究中发现的。
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陆 埮 中科院 紫金山天文台
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陆 埮 中科院 紫金山天文台
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人的尺度在粒子与宇宙中间
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陆 埮 中科院 紫金山天文台
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大尺度观测事实
可见物质的平均密度： B ∼ 10-31 g/cm3 有暗物质，高1个量级
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陆 埮 中科院 紫金山天文台
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暗物质的性质
暗物质不发光，却有引力。 宇宙中暗物质比可见物质多得多。 暗物质粒子的主要性质：
1）长寿命； 2）主要是冷的（质量大）； 3）作用弱。
主要暗物质粒子不可能是普通物质粒子。
“过尽千帆皆不是（温庭筠 ）”！
可能候选者：Neutralino、Axion等。
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。
暗物质研究1
暗物质研究
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暗物质研究掌握暗物质能量将使得今天的生活发生巨变！
在宇宙学中，暗物质是指那些自身不发射电磁辐射，也不与电磁波相互作用的一种物质。
人们目前只能通过引力产生的效应得知宇宙中有大量暗物质的存在。
暗物质存在的最早证据来源于对球状星系旋转速度的观测。
现代天文学通过引力透镜、宇宙中大尺度结构形成、微波背景辐射等研究表明：我们目前所认知的部分大概只占宇宙的4%，暗物质占了宇宙的23%，还有73%是暗能量。
去年底中国政府公布的白皮书上说将暗物质研究列在未来5年的科研项目里。
这项研究有划时代意义。
如果人类成功的掌握暗物质能量将使得今天的生活发生巨变！
1.春运取消：因为暗物质能量巨大，以至于人类可以研发出时速在千公里甚至万公里的超高速火车和飞机，北京到上海只需要几分钟时间就可到达。
以至于春运不再需要了。
2.暗物质可以扭曲空间，改变空间结构：监狱里罪大恶极的罪犯将被囚禁在一本书大小的特定空间，如果不用特殊的强大能量激活是永远不会被放出来的。
3.人类可以轻松到达月球和火星。
可以在其他星球建立定居点。
人口拥挤的地球不再拥挤了。
每个人居住空间可以任意改变，晚上你可以在一本书里睡觉，白天恢复原态。
一个小区可以住100万人口，所占的面积和过去的小区一样大！。
”
4.在上海做了一桌酒席，通过暗物质能量发送，马上可以摆上北京的餐桌。
2013.10.02.。
天文学知识：如何探测和研究暗物质
天文学知识：如何探测和研究暗物质暗物质一直是天文学研究的热门话题之一。
虽然暗物质很难被直接探测到，但科学家们已经采用了多种方法来研究它的性质和分布。
在本文中，我们将深入探讨如何探测和研究暗物质。
在宇宙中，暗物质和普通物质一样重要。
然而，我们不能看到暗物质，因为它不会与光相互作用，而这是我们看到宇宙中其他物质的方式之一。
因此，研究暗物质并非易事。
然而，科学家们已经发展出了多种方法来研究暗物质。
一种方法是利用天体物理学中的引力透镜效应。
这种效应来源于爱因斯坦的广义相对论，它表明，物体的质量会扭曲周围的空间，从而引起光线的弯曲。
如果一个星系或星团在光线路径前面，那么这些星系和星团的引力会扭曲通过的光线，从而使背景中的星系和星团看起来发生形变。
通过观察这种效应，科学家们可以估计出隐藏在背景星系和星团背后的暗物质的质量。
此外，科学家们还利用了宇宙微波背景辐射来研究暗物质。
宇宙微波背景辐射是我们宇宙辐射历史的痕迹，它可以告诉我们在宇宙诞生之初，宇宙的物理性质。
然而，宇宙微波背景辐射也会受到暗物质的影响，因为暗物质会影响宇宙结构的形成。
通过分析宇宙微波背景辐射的小尺度温度涨落，科学家们可以估计不同尺度上暗物质的密度、分布和性质。
另一种研究暗物质的方法是利用暗物质在银河系中的运动。
科学家们观测恒星的运动情况，可以计算出银河系中物质的质量总量。
然而，由于暗物质不会与光相互作用，我们无法观测到它在银河系中的分布和运动。
不过，科学家们可以通过观察在暗物质密度较高的区域附近的恒星的运动情况，来研究暗物质的性质。
通过测量恒星的速度和距离，我们可以计算出暗物质的密度和分布。
除了以上的方法，科学家们也在研究暗物质的粒子性质。
暗物质被认为是由一种或多种未知基本粒子组成的。
通过模拟和计算这些假定的粒子的性质和相互作用，科学家们可以预测暗物质在实验室中的探测方式。
目前，许多实验室正在进行暗物质探测实验，以期探测到暗物质粒子并验证暗物质的存在性和性质。
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。
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]。
暗物质
十年努力终获认可
• 2000年底至2001年初，经过改造后的“ATIC”观测设备 在南极升空观测高能电子。 • 据了解，以往学界普遍认为太阳系附近的高能电子主要来 源于超新星遗迹，并建立了太阳系高能电子流量模型。 • 可他们获得的高能电子的流量远远超出了模型预计的流量。 这意味着高能电子还存在别的“起源”。
• 2006年，钱德拉望远镜，星系碰撞，直接证据
暗物质是否存在
• 以严谨著称的《Nature》经过多轮考察，以介绍论文第 一作者的形式对常进进行了专访，刊登在同期刊物上。该 项研究成果引起科学界广泛关注。 《Science》将以 “Dark Matter Story” 为题重点介绍该成果。 • 此外，英国的《新科学家》（New Scientist），美国 《纽约时报》（New York Times）、美国航空航天局科 学中心《science@nasa》等国外主流媒体都将在11月20 日或稍后对该成果进行报道。
暗物质研究现状与展望
• 2009 年, CDMSII实验组宣布,发现了两个疑似暗物质与核 子碰撞的事例,碰撞反冲能在10keV 左右,对应的暗物质的 质量有可能在小于100GeV 的区间内。这些结果引起了广 泛的关注。但目前还不能确定观测到的事例是否由统计误 差引起的。同样位于明尼苏达的CoGent实验组也宣称观 察到了轻的暗物质粒子的可能迹象。 • 总之, 目前国际上探测暗物质的实验研究正处在蓬勃发展 中,未来的10 年将是暗物质探测的黄金时代。
暗物质粒子的候选者
• 另一个候选者是轴子（axion），一种非常轻的中性粒子 （其质量在1μeV的数量级上），它在大统一理论中起了 重要的作用。轴子间通过极微小的力相互作用，由此它无 法处于热平衡状态，因此不能很好的解释它在宇宙中的丰 度。在宇宙中，轴子处于低温玻色子凝聚状态，现在已经 建造了轴子探测器，探测工作也正在进行。
暗物质及暗物质粒子探测（ＰＤＦ）
暗物质及暗物质粒子探测3毕效军1, 秦 波2(1 中国科学院高能物理研究所 北京 100049)(2 中国科学院国家天文台 北京 100012)摘 要 文章首先对暗物质的概念作了简单介绍,接着介绍了暗物质的发现过程和暗物质存在的证据等.随后,介绍了目前人们对暗物质粒子基本性质的理解和目前比较流行的暗物质模型,并解释了弱相互作用重粒子(WIMP )为什么获得人们最多的关注.文中还简单介绍了目前探测暗物质粒子的三种实验方法:对撞机探测法、直接探测法和间接探测法.最后,介绍了目前暗物质探测的最新进展,包括来自DAMA ,Co G ent ,PAM EL A ,A TIC ,Fermi 等实验的最新结果.关键词 暗物质,粒子物理,宇宙线Dark matter and its detectionBI Xiao 2J un1, QIN Bo2(1 I nstit ute of Hi gh Energy Physics ,Chi nese A cadem y of S ciences ,Bei j i ng 100049,China )(2 N ational A st ronomical Observatories ,Chinese A cadem y of S ciences ,Bei j ing 100012,China )Abstract We first explain t he concept of dark matter ,t hen review t he history of it s discovery and t he evidence of it s existence.We describe our understanding of t he nat ure of dark matter particles ,t he popular dark matter models ,and why t he weakly interacting massive particles (called WIMPs )are t he most attrac 2tive candidates for dark matter.Then we introduce t he t hree met hods of dark matter detection :colliders ,di 2rect detection and indirect detection.Finally ,we review the recent development of dark matter detection ,in 2cluding t he new result s from DAMA ,Co G ent ,PAMELA ,A TIC and Fermi.K eyw ords dark matter ,particle physics ,cosmic ray3 国家自然科学基金(批准号:11075169)、国家重点基础研究发展计划(批准号:2010CB833000)资助项目2010-10-26收到 通讯联系人.Email :bixj @1 暗物质的发现“什么是暗物质?”简单来讲,暗物质就是“在宇宙中还没有被我们‘看到’的物质”.这个解释马上会引起两个疑问:何为“看到”?既然没有“看到”,那我们凭什么知道宇宙中存在这样的物质呢?在天文学上,技术发展最充分、设备最为先进、能力也最强大的“看”的办法就是探测来自太空不同物质发射的各种波段的电磁波,这包括从波长很长的射电波,到微波、红外、可见光、紫外,一直到近些年发展异常迅速的X 射线和γ射线的探测.没有“看到”的物质也就是指在全部的电磁波段,我们都没有看到这类物质的电磁辐射.它们对于我们来讲是“黑暗”的.那我们如何理解第二个问题呢?这里我们可以首先回顾一段有趣的历史.自从牛顿发现了万有引力定律以来,人们就尝试用万有引力理论来解释太阳系的行星运动规律.尽管万有引力的解释在开始是非常成功的,但在解释天王星运动时却无法得到令人满意的结果,天王星的运动规律和万有引力的预言有着明显的差异.法国天文学家U.Le Verrier 和英国天文学家John Couch Adams 猜测天王星的异常也许不是万有引力规律出了问题,而是在太阳系中还存在一颗当时还没有发现的行星,这颗行星的引力使得天王星的运动偏离了原来预期的轨道.根据他们的预言,于1846年由Galle 发现了这颗行星,即海王星.由行星运动异常从而猜测到另外一颗未发现的行星的存在非常类似今天我们关于暗物质的认识.虽然我们从来没有直接“看到”宇宙中存在暗物质,但我们却发现了由于暗物质的引力作用对其他可见的物质运动的影响,这就是我们断定宇宙中存在暗物质的理由.目前从星系到宇宙学尺度的观测都发现可观测物体运动的异常现象,由此我们推断宇宙中可能存在我们还没有“看见”的物质,即暗物质,它们通过引力效应影响了可见物体的运动.现代意义下的暗物质概念最早是由瑞士天文学家Fritz Zwicky提出的[1].1933年,Fritz Zwicky研究后发星系团(Coma Cluster)中星系运动的速度弥散,他根据所测得的星系速度弥散并应用维里定理,得到了后发星系团的质光比,发现它比太阳的质光比要大400倍左右.直观一点讲,Zwicky的测量发现,星系团中各个星系的运动速度太快了,快到仅仅依靠后发星系团中的可见物质根本无法束缚这些星系.而这个星系团却是稳定存在的,这表明星系团中应该还有更多的物质,它们贡献的引力束缚了这些飞奔的星系.今天,天文学家有许多办法可以测定星系团的质量,如通过强、弱引力透镜效应,通过对星系团中弥散分布的温度高达1亿度的X射线热气体的精确测量,以及通过星系速度分布等.这些观测无不证实了星系团中暗物质的存在.到上个世纪70年代,天文学家对旋涡星系进行了详细观测,才使得“暗物质”的概念最终得到了科学界的普遍承认[2—5].漩涡星系旋转曲线的测量是暗物质存在最直接的证据.所谓旋转曲线指的是星系中恒星绕星系中心旋转速度随着恒星到星系的中心距离而变化.通常测量到的旋转曲线在距离星系中心很远的地方会变平,并且一直延伸到可见的星系盘边缘以外的地方很远都不会下降.图1是典型的漩涡星系的旋转曲线.如果没有暗物质存在,根据开普勒定律,在距离很远的地方旋转速度会随距离下降,而测量到的图1所示的旋转曲线明显和人们根据可见物质预期的结果不同.因此,平坦的旋转曲线就意味着星系中包含了更多的物质,这些还没有被直接看到而只是通过引力效应表现出来的物质就是暗物质.2006年,钱德拉X射线望远镜对子弹星系团(Bullet Cluster)的观测[6],是暗物质的天文研究在近年来取得的重要结果(如图2所示).图中红色的部分(见《物理》网刊彩图,下同)代表钱德拉卫星“看到”的重子物质的分布,而绿色的轮廓是在此之前的弱引力透镜观测给出的引力场的空间分布.钱德拉图1 漩涡星系M33的旋转曲线卫星发现,子弹星系团的两个子星系团在垂直于视线方向上,刚刚发生过一次高速碰撞,高速碰撞产生的激波波前清晰可见(图中右部的三角形).最重要的是,结合弱引力透镜观测,钱德拉发现子弹星系团中的普通发光物质或重子物质(由X射线确定其位置,图2中的发光部分)和两个星系的质量中心(由引力透镜观测确定其位置,图2中的曲线)并不重合.这一现象被认为是暗物质存在的直接证据,这是因为普通的重子物质间会发生很强的相互作用,而暗物质粒子之间几乎没有相互作用.因此,普通物质之间由于存在碰撞而互相粘滞,产生一定的减速效应,从而造成子弹星系团在经历了这场大碰撞后,暗物质和重子物质的空间分布出现了明显的分离.图2 钱德拉X射线卫星观测到的子弹气团,图中发光的是重子物质,曲线代表用引力透镜观测到的引力等势能面这个结果立即引起了学术界的广泛关注,因为这可能排除通过修改引力理论来解释所观察到的异常现象.而在子弹星系团中,人们清晰地看到了普通发光物质(或重子物质)与引力场的明显的空间分离,这用修改引力理论是不容易解释的,而引入暗物质是最自然的解释.所以子弹星系团为暗物质的存在提供了直接证据.近年来,由于WMAP卫星对微波背景(CMB)各向异性的精确测量,我们可能通过拟合WMAP的数据,精确确定宇宙中暗物质的总量[7].目前拟合的结果给出暗物质在整个宇宙中所占的组分大约是22%.总之,自从暗物质的概念提出至今,人们在各种尺度的天文观测中都发现了暗物质存在的证据.目前,暗物质的存在已经被人们普遍接受,并且成为研究宇宙中大尺度结构形成过程中必不可少的成分.2 暗物质粒子和弱相互作用重粒子尽管暗物质在宇宙中存在的事实得到大部分天文学家的承认,但暗物质的本质是什么,它是由什么基本粒子组成的,这些基本问题却仍未得到解决.在微观领域,人类建立了关于基本粒子的标准物理模型.这一理论告诉我们,目前已知的基本粒子是由三代的夸克和轻子以及传递相互作用的规范玻色子构成.这一理论能够精确描述目前对撞机上所有的实验现象.然而,暗物质粒子却不能被标准模型解释.因此,为了解释暗物质粒子,必须要引入超出基本粒子标准模型的、更为基本的新物理理论.为什么暗物质问题会让粒子物理学家如此关注呢?这是因为,人们猜测暗物质的产生可能是源于宇宙早期的高温过程.在宇宙的早期,宇宙要经历一个高温的阶段.这个时候宇宙中的粒子能量要高于现在已有(甚至将来可能有)的一切对撞机的能量,这个时候新物理可能会发生作用.因此我们可以认为,早期宇宙是一个能量超出人类所能够达到的超高能对撞机,这个对撞机会撞出新的粒子并留下一些踪迹.暗物质有可能就是来自这样的新物理在经历了宇宙大爆炸后遗留下来的产物.因此,正确认识暗物质,对于人类认识物质的基本结构和基本相互作用可能起到关键的作用.这就是为什么天文学家和粒子物理学家都在关心暗物质问题的原因.目前我们已知的物质称为重子物质,但根据天文观测,暗物质应该由非重子的冷暗物质构成.所谓冷暗物质是指暗物质粒子的运动速度非常慢,远远小于光速[8].较为流行的暗物质候选者是所谓弱相互作用重粒子(WIMP),如超对称理论粒子或额外维度空间粒子等.弱相互作用重粒子(WIMP)被广泛关注的原因在于它可以在宇宙早期自然产生:早期宇宙温度非常高,WIMP可以和其他的粒子相互作用从而达到热平衡;随着宇宙温度的降低,当暗物质粒子的速度远低于光速时,WIMP的粒子数密度随温度按指数降低,这样其反应速率也大大下降;当WIMP反应的特征尺度已经和宇宙的视界相当时,WIMP粒子就很难再相互作用,我们称其为从宇宙背景中解耦了.如果WIMP的反应截面非常大,它可以保持热平衡的状态到很低的温度时才解耦,那么它保留下来到今天的密度就非常低;相反,如果它的反应截面太小,它保留到今天的密度就很高.WIMP粒子之间是弱相互作用,这样它们留到今天的密度和今天实际观测的结果大致相当.正因为WIMP可以在宇宙早期自然地通过热反应产生,其在今天的贡献如同宇宙微波背景一样只是宇宙温度下降的热遗迹,所以WIMP暗物质模型得到广泛的关注.此外,从粒子物理出发,许多设法理解电弱对称破缺机制的、所谓超出标准模型的新物理理论都提供了这样的WIM P粒子,比如超对称理论中最轻的超对称粒子(neut ralino).如果在对撞机上发现了某种新物理所预言的粒子(长寿命、中性),它很可能就是构成暗物质的粒子.反过来,如果暗物质粒子被探测到,其性质也会限制新物理模型.因此,从某种意义上来说,在暗物质问题上,宇宙学、天文学和粒子物理是相通的.目前理论物理学家提出了很多暗物质粒子的模型,较为广泛研究的除了超对称粒子(neut ralino)外,还有轴子(axion)、KK粒子、超对称引力子(gravitino)等.轴子是在解决强相互作用中的电荷-空间(CP)破坏问题时引入的,目前它的质量范围被实验和天文观测限制在10-6—10-3eV之间,它可以通过非热过程产生并作为冷暗物质存在.KK 粒子是额外维度空间理论所预言的,其中最轻的粒子是稳定的并可以成为暗物质.超对称引力子是指引力子的超对称伴子,由于其和普通物质的相互作用非常弱,也被称为超弱作用重粒子(super2 WIM P),也要通过非热产生.总之,目前人们对于暗物质的本质仍然很不了解,而在理论上也提出了各种各样的模型.尽管像超对称粒子、KK粒子、轴子等粒子都有非常明确的物理意义,都是暗物质粒子自然的候选者,但最终暗物质的性质还要取决于实验结果.3 暗物质粒子的探测方法由于暗物质粒子不参与电磁相互作用,通常的天文观测方法很难发现它的踪迹.为了了解暗物质的本质,目前的探测方法大致可以分为如下三种:首先是在加速器上将暗物质粒子“创造”出来,并研究其物理特性.由于暗物质粒子即使被“创造”出来,也不会被探测器发现,所以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.暗物质粒子在对撞机上产生的标志是能量丢失,然而由于暗物质粒子会带走一部分“能量”却不被探测器发现,因此我们只能从丢失的“能量”和分布来推测暗物质的性质.欧洲核子中心(CERN)的大型强子对撞机(L HC)被认为很有可能“创造”出暗物质粒子.第二种方法称为直接探测法.该方法是探测暗物质粒子和探测器中物质的原子核碰撞所产生的信号.由于发生这种碰撞的概率很小,产生的信号非常“微弱”.为了降低噪声,探测到这种“微弱”的信号,通常需要把探测器放置在很深的地下,以屏蔽地面上的各种干扰噪声.暗物质直接探测实验是目前寻找暗物质粒子最重要的探测方式之一.在目前的实验精度下,我们只可能探测到弱作用重粒子(WIMP)的信号,而更弱的信号,如轴子、超对称引力子是无法用这种方法探测的(例如,轴子的探测实验是用微波空腔,利用轴子和电磁场存在的极微弱的耦合来探测).目前我国科学家正在讨论在四川雅砻江锦屏山下的一条隧道中建设一个大型的、用于暗物质粒子探测的地下实验室.锦屏山隧道全长17km,最大埋深2.4km,具有得天独厚的自然优势,在这里有望建成世界上最大埋深的地下实验室.第三种办法称为暗物质的间接探测法.间接法是观测暗物质粒子衰变或相互作用后产生的稳定可见粒子,如γ射线、正电子、反质子、中微子等的信号.如果我们能够精确测量这些暗物质产生的粒子能谱,就有可能发现暗物质粒子留下的蛛丝马迹.由于暗物质的湮灭速率正比于暗物质密度的平方,因此暗物质湮灭主要发生在星系、星系团中心,或者星体内部等暗物质密度非常高的地方.暗物质的间接探测涉及到许多复杂的因素,如需要知道暗物质的分布情况、暗物质间的湮灭截面的大小以及来自非暗物质湮灭过程的背景的大小和性质,因此间接探测涉及到粒子物理、天文、宇宙学等多方面的知识.由于高能γ射线不受宇宙空间磁场等因素的影响,可以直线传播,γ射线信号可以追溯到暗物质的“源”,所以探测暗物质粒子湮灭产生的γ射线是非常重要的探测暗物质粒子的手段.γ射线实验可以分为卫星实验和地面实验两大类,其中卫星实验的优势是本底排除非常干净,阈能低,视场大,观测有效时间长等,但其劣势则是由于探测器体积所限,其有效面积较小.地面实验可以分为大气切连科夫光望远镜和大气簇射探测器.大气切连科夫光望远镜的优势在于,可有效地排除本底,有非常大的有效观测面积和高角分辨率;劣势在于其视场窄而且观测时间受限,只能在晴朗无月的晚上观测.大气簇射探测器的优势包括大的有效面积、宽的视场和几乎100%的观测时间;劣势则是无法区分本底宇宙线和γ射线信号,角分辨率一般.建于我国西藏羊八井地区的、中日合作的ASγ实验和中意合作的AR GO 实验都属于大气簇射探测实验(见图3).图3 我国西藏羊八井宇宙线实验基地,图中左边蓝色大屋顶是中意合作的AR GO实验大厅,白色的探测器阵列是中日合作的ASγ实验除了γ射线信号外,目前科学家还通过探测中微子、正电子和反质子等粒子来探测暗物质粒子湮灭信号.4 暗物质研究现状与展望2008年,中国和意大利合作课题组(DAMA/ L IBRA)宣布,他们的地下实验发现了某种周期性变化的信号,可能就是人们长期以来寻找的暗物质信号[9].这个实验的原理如图4所示.太阳以232km/s 的速度绕银河系的中心旋转,而地球绕太阳的速度大约为30km/s.这样,地球相对于银河系的速度就是两个速度的叠加.在夏天,地球的速度最大,到了冬天,速度最小.因此,我们预期,暗物质的直接探测信号也会有随着时间,以年为周期的变化规律. DAMA实验正是看到了这样的年调制的信号,如图5所示.这些信号有可能就是我们长期以来探寻的暗物质信号.但遗憾的是,暗物质的信号至今还未被其他实验所证实.图4 DAMA暗物质探测的原理Co Gent实验组用高纯度的锗探测器探测暗物图5 DAMA 实验观测到的年调制信号.这有可能是来自于暗物质碰撞的信号质和探测器物质碰撞后的电离信号.最近,他们发现在低能电离能谱上有一些超出的事例无法解释[10].这些超出的事例有可能是比较轻的暗物质和探测器碰撞造成的.目前有很多理论研究在探讨这些超出的可能原因,但目前仍然无法给出定论.目前世界上有大约20家的暗物质直接探测的实验,实验的规模在不断扩大,探测灵敏度不断提高.现在世界上灵敏度最高的暗物质探测实验应该是美国100kg 级液氙实验[11],但是到目前为止,这个实验还没有发现暗物质的任何迹象.2008年,暗物质的间接法实验取得了很大的进展.首先是意大利的一颗卫星PAME LA 探测到宇宙线中正电子的成分明显超出了宇宙线物理的预期[12],如图6所示.如何理解这些多出来的正电子一时成为最为热门的一个话题.人们从宇宙线在银河系的传播过程,从附近脉冲星的辐射到暗物质湮灭等,提出了许许多多的理论解释.但到目前为止,数据的精度还不高,还不足以区分理论模型.人们寄希望于将来更加灵敏的实验结果会给出一个明确的答案,如将于2011年春发射到国际空间站的阿尔法磁谱仪(AMS02).图6 PAMELA 实验观测到的宇宙线中正电子的比例(红色的点),实线是宇宙线理论预期结果此外,以中美科学家为主的A TIC 探测器在2008年发表了宇宙线高能电子能谱的观测结果[13].A TIC 发现高能电子流量在300—800GeV 能量区间与理论模型相比高了将近3倍.美国的Fermi γ射线卫星也测量了几乎同能段的电子能谱[14].虽然Fermi 也观测到了电子能谱的超出,但却没能证实A TIC 的能谱的形式.但无论如何,这些结果似乎都意味着某种未知的源在贡献宇宙线中的正负电子流,但究竟是什么样的源,目前却仍然无法判别.总之,目前国际上暗物质探测的实验研究正处在蓬勃发展的阶段,未来10年将是暗物质探测的黄金时代.现在,欧洲核子中心的大强子对撞机正在对撞获取数据,这将大大推进暗物质问题的研究.另外,随着探测器灵敏度大大提高,非加速器暗物质实验,包括地下直接探测实验和空间间接观测实验,也有可能很快产生新的突破.一种乐观的预期是,暗物质问题在不久的将来就能基本解决,这对我们理解宇宙的演化,理解物质的基本结构和基本相互作用,都将是革命性的贡献.参考文献[1] Zwicky F.Helv.Phys.Acta.,1933,6:110[2] Robert s M S ,Rot s A H.Astron.Ast rophys.,1973,26:483[3] Ost riker J P ,Peebles P J E ,Yahil A.Astrophys.J.,1974,193:1[4] Einasto J ,Kaasik A ,Saar E.Nature ,1974,250:309[5] Rubin V C ,Ford W K J r.Astrophys.J.,1978,225:107[6] Clowe D.Astrophys.J.,2006,648:L109[7] K omat su E.2010,arXiv :1001.4538v3[astro 2ph.CO ][8] K olb E W ,Turner M.The Early Universe.Addison 2WesleyPublishing Company ,1990[9] Bernabei R et al .Eur.Phys.J.C ,2008,56:333[10] Aalset h C E et al .arXiv :1002.4703v2[astro 2ph.CO ][11] Aprile E et al .Phys.Rev.Lett.,2010,105:131302[12] Adriani O et al .Nature ,2009,458:607[13] Chang J et al .,Nature ,2008,456:362[14] Abdo A A et al .Phys.Rev.Lett.,2009,102:181101。
暗物质的空间探测40页PPT
41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
42、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
4Байду номын сангаас、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
暗物质的空间探测
1、战鼓一响，法律无声。——英国 2、任何法律的根本；不，不成文法本 身就是 讲道理 ……法 律，也 ----即 明示道 理。— —爱·科 克
3、法律是最保险的头盔。——爱·科 克 4、一个国家如果纲纪不正，其国风一 定颓败 。—— 塞内加 5、法律不能使人人平等，但是在法律 面前人 人是平 等的。 ——波 洛克
如何探测暗物质
太空课堂直接探测◎文 中国科学院国家天文台 郭红锋10暗物质真的“看不见”吗？目前科学家对暗物质的研究有哪些进展呢？原来，暗物质的所谓“看不见”，不单单是说用我们的肉眼在可见光波段看不见，而是说不论人们探测什么波段的电磁波，比如红外线、紫外线、X射线、伽马射线等，都看不到它。
不过，虽然暗物质粒子与常规物质仅有微弱的相互作用，暗物质粒子也有可能被精密的实验仪器探测到。
目前科学家采用的探测手段可以分为3类：一是探测暗物质粒子直接与探测器中的物质发生相互作用，称为“直接探测”；二是寻找宇宙中暗物质自身衰变或湮灭产生普通物质的信号，称为“间接探测”；三是探寻粒子对撞机中人为产生的暗物质粒子，称为“加速器探测”。
扫描二维码看科学家探索暗物质如果暗物质是由微观粒子构成的，那么每时每刻都应该有大量的暗物质粒子穿过地球。
如果其中1个粒子撞击了探测器物质中的原子核，那么探测器就能检测到原子核能量的变化并通过分析撞击的性质了解暗物质属性。
然而，对于弱相互作用重粒子来说，由于它们与普通物质之间的相互作用极其微弱，被探测器捕捉到的概率也十分微弱。
为了最大限度地屏蔽其他种类宇宙射线的干扰，暗物质直接探测实验往往在地下深处进行。
目前，全世界有数十个暗物质探测实验在进行，包括一些暗物质地下实验。
其中，位于我国四川的锦屏暗物质地下实验室，作为世界上埋深最大的暗物质地下实验室，具有得天独厚的优势。
. All Rights Reserved.间接探测加速器探测最后一种寻找暗物质的方法是在实验室里产生暗物质粒子。
在高能粒子对撞实验中，会有尚未被发现的粒子包括暗物质粒子产生出来。
如果对撞产生了暗物质粒子，由于其难以被探测器直接检测到，会导致被探测器检测到的对撞产物粒子的总能量和动量出现丢失的现象，这是产生了不可见粒子的一个特征。
或间接的探测手段，就可以帮助科学家确定对撞机中产生的粒子是否为暗物质粒子。
既然在银河系中存在着大量的暗物质粒子，那么应该可以探测到它们湮灭或衰变所产生的常规基本粒子。
暗物质及实验简介
胡鑫洄sxhuxinhui163com南开大学?天津201112目录第一节暗物质简介暗物质的候选者第二节暗物质探测方法直接探测实验的近期结果第一节暗物质简介前言19导致了物理学的革命相对论和量子力学诞生世纪末物理学天空的两朵乌云以太漂移和黑体辐射而这成为现代物理的基础
第一部分 暗物质探测
作者：胡鑫洄 sxhuxinhui@ 南开大学•天津
前言
现代物理的最前沿集中在两个方向，一是研究尺度越 来越小，能量越来越高的粒子物理方向。一是研究尺度 越来越大的宇宙学和天体物理学方向。 这看似两个完全相反的方向，却都共同关注同一个问 题就是暗物质。这是非常神秘并让人振奋的，也许暗物 物质正是人类打开理解宇宙大门的一把钥匙，也许，更 深刻，更基本的物理理论将会诞生？ 正是由于这些原因，暗物质，暗能 量成为当今物理最具吸引力的研究 课题。
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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 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，……
16
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，……
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
12
PAMELA
反符合系统 飞行时间系统
底部闪烁体S4
磁谱仪
量能器 中子探测器
13
PAMELA
磁谱仪
构成 永磁体：铷铁硼烧结的磁性材料, 5×81mm, 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，6×8mm
14
PAMELA
磁谱仪
功能 测量Z<=6的带电粒子能损、径迹 => 电荷符号，动量大小、方向，磁刚度（rigidity）（R=cp/Ze） => 鉴别粒子
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10～20倍
与量能器一起，可提供初级电子能量，几个TeV
21
PAMELA
反符合系统
构成 主：CAT + 4个CAS 次：4个CARD（未启用） 塑料散射体 + PMTs CAS/CARD
CAT
22
PAMELA
反符合系统
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 ……
8
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α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
最大可测动量：1TV/c
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
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
技术指标 最高计数率可以达到105/s，死时间是1.1ms 位置分辨率(3.0 ± 0.1) μm 最大可测磁刚度为1TV
15
PAMELA
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 S1：8×6 bar2 ，2×7mm S2：2×2 bar2 ，2×5mm S3：3×3 bar2 ，2×7mm 共24根闪烁体，48个PMT
功能 离线分析，鉴别good trigger和false trigger（~75%）
good trigger
fauls trigger
23
PAMELA
整体技术指标
ห้องสมุดไป่ตู้测孔径张角：19°×16°
总重：470Kg
功率：360W
尺寸：L91cm×W89cm×H123cm
磁谱仪位置精度：4μm（有偏转）和15μm（无偏转）
2 与普通粒子相比质量较大。
轴子（axion），MACHOs
4
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
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
9
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 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 暗物质探测在中国
电磁簇射
强子簇射
19
PAMELA
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
20
PAMELA
中子探测器
构成 2×18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
3 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
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；
总结
11
PAMELA
Wizard 合作组（俄罗斯，意大利，德国，瑞典） 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
设计指标（暗物质探测） 正电子：50～270MeV 反质子：80～90MeV
17
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 3×3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
18
PAMELA
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 区分度90%以上