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，FritzZwicky，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,20083WIMPsWIMPs大质量相互弱作用粒子WeaklyInteracting

2、MassiveParticles一种超对称中轻微子supersymmetricneutralino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。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

3、失的能量和动量来推断它是否产生6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7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，……2.环境温度160K两相Xe或ArTPC探测闪烁光和电子离子对XENON，ArDM，……非主流：DRIFT：CS2DAMA/LIBRA：NaI（Ti）PICASSO：过热液滴气

4、泡室……直接探测方法8间接探测原理1.WIMPs在太阳晕轮（solarhalo)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、中微子等间接探测方法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总结暗物质

5、空间探测暗物质探测在中国11PAMELA主要任务：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，检验宇宙射线增殖模型Wizard合作组（俄罗斯，意大利，德国，瑞典）设计指标（暗物质探测）正电子：50～270MeV反质子：80～90MeV12PAMELA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S413PAMELA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（

6、tracker）：双面硅微条探测器，两面微条正交，6×8mm14PAMELA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1TV15PAMELA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S1：8×6bar2，2×7mmS2：2×2bar2，2×5mmS3：3×3bar2，2×7mm

7、共24根闪烁体，48个PMT16PAMELA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（albedoactivity）－－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17PAMELA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380μm3×3个单元/面，32个读出微条/单元，相邻面微条正交22层钨

8、簇射介质，厚0.26cm18PAMELA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%以上电磁簇射强子簇射19PAMELA簇射尾部接收闪烁体构成1片正方形闪烁体，厚1cm6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