暗物质的空间探测

第1页，共38页，2023年，2月20日，星期一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第2页，共38页，2023年，2月20日，星期一暗物质

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,20083第3页，共38页，2023年，2月20日，星期一WIMPs

WIMPs大质量相互弱作用粒子WeaklyInteractingMassiveParticles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第4页，共38页，2023年，2月20日，星期一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第5页，共38页，2023年，2月20日，星期一直接探测方法

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6第6页，共38页，2023年，2月20日，星期一直接探测方法

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第7页，共38页，2023年，2月20日，星期一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：CS2

DAMA/LIBRA：NaI（Ti）PICASSO：过热液滴气泡室……直接探测方法8第8页，共38页，2023年，2月20日，星期一

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第9页，共38页，2023年，2月20日，星期一间接探测方法

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第10页，共38页，2023年，2月20日，星期一目录暗物质探测方法暗物质空间探测总结暗物质空间探测暗物质探测在中国11第11页，共38页，2023年，2月20日，星期一PAMELA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：80～90MeV12第12页，共38页，2023年，2月20日，星期一PAMELA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S413第13页，共38页，2023年，2月20日，星期一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，6×8mm14第14页，共38页，2023年，2月20日，星期一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1TV15第15页，共38页，2023年，2月20日，星期一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S1：8×6bar2，2×7mmS2：2×2bar2，2×5mmS3：3×3bar2，2×7mm共24根闪烁体，48个PMT16第16页，共38页，2023年，2月20日，星期一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（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17第17页，共38页，2023年，2月20日，星期一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380μm3×3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第18页，共38页，2023年，2月20日，星期一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%以上电磁簇射强子簇射19第19页，共38页，2023年，2月20日，星期一PAMELA

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第20页，共38页，2023年，2月20日，星期一

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TeVPAMELA

中子探测器21第21页，共38页，2023年，2月20日，星期一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+PMTsCAS/CARDCAT22第22页，共38页，2023年，2月20日，星期一PAMELA

反符合系统

功能离线分析，鉴别goodtrigger和falsetrigger（~75%）

faulstriggergoodtrigger23第23页，共38页，2023年，2月20日，星期一PAMELA

整体技术指标

探测孔径张角：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）最大可测动量：1TV/c

死时间：1.1ms

飞行时间分辨率（原子核）：好于100ps

符合时间分辨率：10ns

能量分辨率（高能电子）：好于10%

动量分辨率（10GeV质子）：好于10%

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24第24页，共38页，2023年，2月20日，星期一PAMELA25第25页，共38页，2023年，2月20日，星期一PAMELA26第26页，共38页，2023年，2月20日，星期一ATIC

AdvancedThinIonizationCalorimeter27第27页，共38页，2023年，2月20日，星期一AMS-02

AlphaMagneticSpectrometer28第28页，共38页，2023年，2月20日，星期一暗物质的空间探测PAMELA:正电子，反质子2006年6月15日上天ATIC：正电子与电子（无法区分）2000～2008年4次南极上空飞行Fermi：高能光子（γ射线），正电子，等2008年6月11日上天AMS:正电子预计2010年6月上天……

理论上，只有暗物质湮灭会产生小型高能正电子爆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，将是可能的湮灭证据29第29页，共38页，2023年，2月20日，星期一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在1.5~100GeV处出现正电子异常实线理论上计算的来自天体源的正电子PAMELA和之前的实验都有明显偏离实线的倾向O.Adriani,etc.Ananomalouspositronabundanceincosmicrays

withenergies1.5–100GeV[J].Nature,2009,458:607–609.30第30页，共38页，2023年，2月20日，星期一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在300~800GeV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*AMSATIC○BETS△HEAT

乳胶室×PPB-BETS实线：天体源J.Chang,etc.Anexcessofcosmicrayelectronsatenergiesof

300–800GeV[J].Nature,2008,456:362–365.31第31页，共38页，2023年，2月20日，星期一暗物质探测在中国目录暗物质探测方法暗物质空间探测总结暗物质探测在中国32第32页，共38页，2023年，2月20日，星期一暗物质探测在中国空间暗物质探测器发射卫星紫金山天文台、高能所、兰州近物所、科大四川锦屏山地下实验室

2500m清华大学液氙探测器

200kg上海交大南极施密特望远镜阵（AST3）位于南极冰穹A33第33页，共38页，2023年，2月20日，星期一暗物质探测在中国目录暗物质探测方法暗物质空间探测总结总结34第34页，共38页，2023年，2月20日，星期一总结

暗物质不参与电磁相互作用：无法被观测不参与强核力作用：不与普通物质发生作用：难以被探测WIMPs

弱核力和引力大质量

探测技术直接探测：与靶物质的散射作用间接探测：湮灭产物的能谱

WIMPs源：宇宙or实验室35第35页，共38页，2023年，2月20日，星期一总结

探测进展

没有确切证实WIMPs存在的证据

发现了一些可能证据天体（如脉冲星）的影响无法排除需要所有探测器数据一致困难仪器精度不同、能量分辨率不同受到质疑

是否可行？如空间正电子探测，正负电子对的量是否可以形成异常峰？

是否有更有效的探测技术？展望

实验探索理论完善

36第36页，共38页，2023年，2月20日，星期一1CONTENTOFTHEUNIVERSE[DB]:/media/080998/index.html,2008.2Darkmatter-Wikipedia,thefreeencyclopedia[DB]:/wiki/Dark_matter,2009.3AZIPDetector[DB]:/public_pics/One_ZIP.html4CDMSStory[DB]:/experiment.html#detectors5CDMSPosters[DB]:/cdms/cdms_posters.html6XENONDarkMatterProject-XENON100Experiment[DB]:/xenon100.html7E.Aprile,T.Doke.LiquidXenonDetectorsforParticlePhysicsandAstrophysics[DB]:/publications/RMP_022409_rev29.pdf,2009.8ElenaAprile,TheXENON100DarkMatterExperimentatLNGS:StatusandSensitivity[R]:PresentedatTAUP,Rome,July2,2009.9Weaklyinteractingmassiveparticles-Wikipedia,thefreeencyclopedia[DB]:/wiki/Weakly_interacting_massive_particles,2009.10P.P