探测暗物质的设想

1、探测暗物质的设想陈国明中科院高能所2005年2月1日2022/8/261 暗物质有多个候选者,这里只想验证: 最小超对称粒子, neutralino, 是否就是暗物质2022/8/262的相互作用散射: q q 湮灭线： :E= m Z: E= m（1-mz2/4 m2）连续谱：f fbar, WW, ZZ, ZH, 反质子、正电子和（来自0）在与 m 相关的某个区域出现抬高2022/8/263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的，因此建议通过湮灭线来探测暗物质。2022/8/264 的质量和湮灭截面质量的不确定性

2、30GeVm340TeV，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。2022/8/265的分布MooreNFW2022/8/266子结构成团过程 毕效军提供2022/8/267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2022/8/268地面探测:切仑柯夫望远镜能区 :10GeV10TeV能量分辨: 大约15% /p分辨: 10-210-3/e分辨: 不能视野 : 约为3o ,只能定点探测面积 : 大探测时间: 晴好无月的夜晚2022/8/269地面探测:广延大气簇射阵列 我国羊八井的ARGO可以说是其代表，对于暗物质探测，其优

3、点是: 面积大; 视野宽; 可采用巡天模式, blind search 缺点是: /p的区分较差，约为10-1， /e 不分，能量分辨差(100%)，能量的刻度困难.2022/8/2610地面探测小结切仑柯夫望远镜: 不能作blind search广延大气簇射阵列:不能测湮灭线2022/8/2611太空实验:GLAST既能作blind search,又能测量湮灭线(能量分辨12%)但仅限于300GeV 以下2sr2022/8/2612太空实验:AMS02通过反质子、正电子的能谱探测暗物质GF: 0.5 m2sr能区: 1GeV2TeV通过湮灭线来探测暗物质 GF: 0.12 m2sr能区: 1

4、GeV2TeV能量分辨: 3% 2022/8/2613太空实验:CALET通过湮灭线来探测暗物质 GF:2sr能区: 20MeV-20TeV2022/8/2614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2022/8/2615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2022/8/2616设想一在太空观测湮灭线能量分辨:5%能区:30GeV300TeV几何因子: 10m2sr 比GLAST大10倍 比CAL

5、ET大20倍 比AMS02大100倍重量: 在发射能力以内2022/8/2617探测器的概念设计 1.65m*0.65m 25 . 5m2sr 5000kg HEGARD (High Energy Gamma ray Detector) 2022/8/2618量能器构造25层13000道2022/8/2619HEGARD名称: High Energy Gamma Ray Detector简称: HEGARD 尺寸: 158cm158cm63cm 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 2022/8/2620能量测量厚度：25 . 三维读出 横向纵向泄漏

6、修正范围: 30GeV300TeV 能量分辨：优于5%AMS02 量能器的经验(16r.l. 束流测试结果）： 80TeV: 17r.l.2022/8/2621方向测量三维读出， 重建簇射 方向测量精度：优于o AMS02 量能器 束流测试结果2022/8/2622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+10B7Li+ 和 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）2022/8/2623模拟结果在B-loaded scintilllator中如果时间比量能器晚1

7、0ns 以上，则被认为是次级中子信号2022/8/2624模拟结果2x10-650万100GeV100GeV2022/8/2625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：被塑料橡胶 吸收光子效率：95%电子: 10-42022/8/2626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。210.08 m2sr其中为光子的效率。2022/8/2627与GLAST对比HEGARDGLAST尺寸(m)1.58*1.58*0.631.8*1.8*1几何因子 (m2 sr)100.9能量30GeV300TeV20MeV30

8、0GeV重量5000kg 25 r.l.3000kg 8.4 r.l.按照GLAST的设计,要测量30GeV-300TeV 的,达到10m2 sr的能力, 则需 90吨2022/8/2628与CALET对比HEGARDCALET尺寸(m)1.58*1.58*0.63几何因子 (m2 sr)100.5能量30GeV300TeV20MeV10TeV重量5000kg 25 r.l.2500kg 36 r.l.按照CALET的设计,达到10m2 sr的能力, 则需 50吨2022/8/2629与AMS02对比(湮灭线部分)HEGARDAMS02尺寸(m)1.58*1.58*0.63几何因子 (m2 s

9、r)100.12能量30GeV300TeV1GeV2TeV重量5000kg 25 r.l.7000kg 16 r.l.2022/8/2630小结设计具有先进性: 用相对轻的重量获得大的接收度。2022/8/2631机遇比GLAST, AMS02, CALET 具有大得多的能力测到暗物质HEGARD 将是30GeV300TeV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2022/8/2632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2022/8/2633风险SUSY 错误,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

10、 2022/8/2634分步决策, 降低风险蒙特卡罗模拟, 改进设计 制作小模型，技术储备. 2006-2010R&D, 样品制作, 可行性研究 2010-2015制作飞行件，发射上天 2017 估计的质量 及流量,优化设计. 如果技术确实可靠则进入第三步。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。2022/8/2635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2022/8/2636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2022/8/2637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 2022/8/2638利用 爆 探测量子引力效应John