探测暗物质设想.ppt

探测暗物质的设想陈国明中科院高能所2005年2月1日2024/9/32024/9/31 1Guoming CHEN Guoming CHEN  暗物质有多个候选者,这里只想验证: 最小超对称粒子, neutralino, χ 是否就是暗物质2024/9/32024/9/32 2Guoming CHEN Guoming CHEN χ的相互作用•散射: χq → χq • 湮灭线： 　　　→:　Eγ= mχ 　　→Z: 　Eγ= mχ（1-mz2/4 mχ2）•连续谱：　　　→f fbar, WW, ZZ, ZH,… 反质子、正电子和γ（来自π0）在与 mχ 相关的某个区域出现抬高　2024/9/32024/9/33 3Guoming CHEN Guoming CHEN 通过湮灭线探测暗物质由于加速机制和气体尘埃的分布不很清楚，连续谱如果出现整体抬高会有很多解释，而湮灭线则是决定性而湮灭线则是决定性的的，因此建议通过湮灭线来探测暗物质2024/9/32024/9/34 4Guoming CHEN Guoming CHEN  的质量和湮灭截面•质量的不确定性 30GeV﹤mχ﹤340TeV，30GeV以下已被实验排除。

•的湮灭截面的理论计算取决于参数的选取2024/9/32024/9/35 5Guoming CHEN Guoming CHEN χ的分布MooreNFW2024/9/32024/9/36 6Guoming CHEN Guoming CHEN 子结构成团过程 毕效军提供2024/9/32024/9/37 7Guoming CHEN Guoming CHEN 探测湮灭线的要求•能量分辨高•视野宽•面积大•粒子识别能力强 有效几何因子=视野x面积x效率2024/9/32024/9/38 8Guoming CHEN Guoming CHEN 地面探测:切仑柯夫望远镜能区 :10GeV—10TeV能量分辨: 大约15% γ/p分辨: 10-2—10-3γ/e分辨: 不能视野 : 约为3o ,只能定点只能定点探测面积 : 大探测时间: 晴好无月的夜晚2024/9/32024/9/39 9Guoming CHEN Guoming CHEN 地面探测:广延大气簇射阵列 我国羊八井的我国羊八井的ARGOARGO可以说是其代表，对于暗物质可以说是其代表，对于暗物质探测，其优点是探测，其优点是: :• 面积大面积大; ;• 视野宽视野宽; ; • 可采用巡天模式可采用巡天模式, blind search, blind search 缺点是缺点是: :  /p/p的区分较差，约为的区分较差，约为1010-1-1，，  /e /e 不分，不分，能量分辨差能量分辨差(100%)(100%)，能量的刻度困难，能量的刻度困难. .2024/9/32024/9/31010Guoming CHEN Guoming CHEN 地面探测小结切仑柯夫望远镜切仑柯夫望远镜: : 不能作blind search广延大气簇射阵列广延大气簇射阵列: :不能测湮灭线不能测湮灭线2024/9/32024/9/31111Guoming CHEN Guoming CHEN 太空实验:GLAST既能作blind search,又能测量湮灭湮灭线线( (能量分辨能量分辨12%)12%)但仅限于但仅限于300GeV 300GeV 以以下下GF: 0.9mGF: 0.9m2 2srsr2024/9/32024/9/31212Guoming CHEN Guoming CHEN 太空实验:AMS02通过反质子、正电子通过反质子、正电子的能谱探测暗物质的能谱探测暗物质GF: 0.5 mGF: 0.5 m2 2srsr能区能区: 1GeV—2TeV: 1GeV—2TeV通过湮灭线来探测暗通过湮灭线来探测暗物质物质 GF: 0.12 m GF: 0.12 m2 2srsr能区能区: 1GeV—2TeV: 1GeV—2TeV能量分辨能量分辨: 3% : 3% 2024/9/32024/9/31313Guoming CHEN Guoming CHEN 太空实验:CALET通过湮灭线来探测暗物质 GF: 0.5m2sr能区: 20MeV-20TeV2024/9/32024/9/31414Guoming CHEN Guoming CHEN 太空实验小结既能作blind search(大视野,巡天)又能测量湮灭线(能量分辨高)关键在于 几何因子2024/9/32024/9/31515Guoming CHEN Guoming CHEN 国内实验基础分析 •地面: 切仑柯夫望远镜, 没有基础; 广延大气簇射阵列,羊八井 •太空: 高能所参加AMS合作,设计制作 电磁量能器; 紫台参加ATIC, CALET合作2024/9/32024/9/31616Guoming CHEN Guoming CHEN 设想一在太空观测湮灭线能量分辨:5%能区:30GeV—300TeV几何因子: 10m2sr 比GLAST大10倍 比CALET大20倍 比AMS02大100倍重量: 在发射能力以内2024/9/32024/9/31717Guoming CHEN Guoming CHEN 探测器的概念设计 1.65m*1.65m*0.65m 25 r.l. 5m2sr 5000kg HEGARD (High Energy Gamma ray Detector) 2024/9/32024/9/31818Guoming CHEN Guoming CHEN 量能器构造25层13000道2024/9/32024/9/31919Guoming CHEN Guoming CHEN HEGARD名称: High Energy Gamma Ray Detector简称: HEGARD 尺寸: 158cm158cm63cm 重量：6吨轨道高度: 大于4500 公里, 竖立,两面都能接 收在轨时间: 3年 2024/9/32024/9/32020Guoming CHEN Guoming CHEN 能量测量厚度：厚度：25 25 r.l r.l. . 三维读出三维读出 横向纵向泄漏修正横向纵向泄漏修正范围范围: 30GeV—300TeV : 30GeV—300TeV 能量分辨：优于能量分辨：优于5%5%AMS02 AMS02 量能器的经验量能器的经验(16r.l. (16r.l. 束流测试结果）：束流测试结果）： 80TeV: 17r.l.2024/9/32024/9/32121Guoming CHEN Guoming CHEN 方向测量三维读出，三维读出， 重建簇射重建簇射 方向方向测量精度：优于测量精度：优于0.50.5o o AMS02 AMS02 量能器量能器 束流测试结果束流测试结果2024/9/32024/9/32222Guoming CHEN Guoming CHEN 电磁簇射与强子簇射的区分塑料橡胶： 用来慢化次级中子外层含硼闪烁体： 探测慢中子 n+10B→7Li+α+γ α和γ 在含硼闪烁体中产生输出电磁簇射：很少产生次级中子强子簇射：产生大量次级中子（1TeV的质子入射，簇射以后产生约1000个次级中子）2024/9/32024/9/32323Guoming CHEN Guoming CHEN 模拟结果在B-loaded scintilllator中如果时间比量能器晚10ns 以上，则被认为是次级中子信号2024/9/32024/9/32424Guoming CHEN Guoming CHEN 模拟结果2x10-650万100GeV100GeV2024/9/32024/9/32525Guoming CHEN Guoming CHEN 带电粒子与中性粒子的区分带电粒子：外层闪烁体 着火中性粒子：外层闪烁体 不着火簇射反冲：簇射反冲：被塑料橡胶被塑料橡胶 吸收吸收光子效率：〉95%电子: 10-42024/9/32024/9/32626Guoming CHEN Guoming CHEN 几何因子 •实际上6个面都能接收光子，但考虑到卫星等服务设施的遮挡，只计算上下两面。

•1.31.320.910.08 m2sr•其中0.9为光子的效率2024/9/32024/9/32727Guoming CHEN Guoming CHEN 与GLAST对比HEGARDHEGARDGLASTGLAST尺寸尺寸(m)(m)1.58*1.58*1.581.58*0.63*0.631.8*1.8*1.81.8*1*1几何因子几何因子 (m(m2 2 srsr) )10100.90.9能量能量30GeV—300TeV30GeV—300TeV20MeV—300GeV20MeV—300GeV重量重量5000kg 5000kg 25 25 r.lr.l. .3000kg 8.4 3000kg 8.4 r.lr.l. .按照按照GLASTGLAST的设计的设计, ,要测量要测量30GeV--300TeV 30GeV--300TeV 的的γ γ, ,达到达到10m10m2 2 srsr的能力的能力, , 则需则需 9090吨吨2024/9/32024/9/32828Guoming CHEN Guoming CHEN 与CALET对比HEGARDHEGARDCALETCALET尺寸尺寸(m)(m)1.58*1.58*1.581.58*0.63*0.63几何因子几何因子 (m(m2 2 srsr) )10100.50.5能量能量30GeV—300TeV30GeV—300TeV20MeV—10TeV20MeV—10TeV重量重量5000kg 5000kg 25 25 r.lr.l. .2500kg 36 2500kg 36 r.lr.l. .按照按照CALETCALET的设计的设计, ,达到达到10m10m2 2 srsr的能力的能力, , 则则需需 5050吨吨2024/9/32024/9/32929Guoming CHEN Guoming CHEN 与AMS02对比(湮灭线部分)HEGARDHEGARDAMS02AMS02尺寸尺寸(m)(m)1.58*1.58*1.581.58*0.63*0.63几何因子几何因子 (m(m2 2 srsr) )10100.120.12能量能量30GeV—300TeV30GeV—300TeV1GeV—2TeV1GeV—2TeV重量重量5000kg 5000kg 25 25 r.lr.l. .7000kg 16 7000kg 16 r.lr.l. .2024/9/32024/9/33030Guoming CHEN Guoming CHEN 小结设计具有先进性: 用相对轻的重量获得大的接收度。

2024/9/32024/9/33131Guoming CHEN Guoming CHEN 机遇•比GLAST, AMS02, CALET 具有大得多的能力测到暗物质•HEGARD 将是30GeV—300TeV能段最大的望远镜,可能有意想不到的收获•对国力和发射能力有信心2024/9/32024/9/33232Guoming CHEN Guoming CHEN 挑战•探测器: 能量饱和•卫星: 用电量, 数据率•火箭: 大重量, 高轨道 也是对技术进步的推动2024/9/32024/9/33333Guoming CHEN Guoming CHEN 风险•SUSY 错误,χ不存在•湮灭截面太小•其它实验先发现,作为第二发现者，意义不大 2024/9/32024/9/33434Guoming CHEN Guoming CHEN 分步决策, 降低风险•蒙特卡罗模拟蒙特卡罗模拟, , 改进设计改进设计 制作小模型，技术储备制作小模型，技术储备. . 2006--20102006--2010•R&D, R&D, 样品制作样品制作, , 可行性研究可行性研究 2010--20152010--2015•制作飞行件，发射上天制作飞行件，发射上天 2017 2017 估计估计χχ的质量的质量 及及γγ流流量量, ,优化设计优化设计. . 如果技如果技术确实可靠则进入第术确实可靠则进入第三步。

三步如果LHC发现超对称粒子，但GLAST，AMS02，MAGIC，VERITAS和其他实验都没有发现，则进入第二步2024/9/32024/9/33535Guoming CHEN Guoming CHEN 可探测的粒子•光子 电磁中性•电子和反电子 电磁带电•长寿命中性强子 强子中性•各种原子核 强子带电2024/9/32024/9/33636Guoming CHEN Guoming CHEN 其它物理目标•长寿命中性强子•利用  爆 探测量子引力效应,研究暗能量•弥散能谱 •电子能谱 •点源•宇宙线成份2024/9/32024/9/33737Guoming CHEN Guoming CHEN 长寿命中性强子•中性强子: 中子, 邻近源•如果测到大量中性强子,则突破标准模型 2024/9/32024/9/33838Guoming CHEN Guoming CHEN 利用  爆 探测量子引力效应John Ellis John Ellis 真空性质真空性质 暗能量暗能量2024/9/32024/9/33939Guoming CHEN Guoming CHEN 设想二在羊八井ARGO阵列安插次级中子探测器•使得γ/p 分辨从10-1提高到10-3—10-4•通过γ连续能谱的抬高的测量推测暗物质的存在•寻找γ点源,确定是否存在子结构,为切仑柯夫望远镜指明方向2024/9/32024/9/34040Guoming CHEN Guoming CHEN 总结 在暗物质探测上面临重大机遇，必须有所行动2024/9/32024/9/34141Guoming CHEN Guoming CHEN 。