暗物质的空间探测.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,本作品采用,知识共享署名,-,非商业性使用,2.5,中国大陆许可协议,进行许可。,专业交流,模板超市,设计服务,NordriDesign,中国专业,PowerPoint,媒体设计与开发,本作品的提供是以适用知识共享组织的公共许可（简称“,CCPL”,或“许可”）条款为前提的。本作品受著作权法以及其他相关法律的保护。对本作品的使用不得超越本许可授权的范围。,如您行使本许可授予的使用本作品的权利，就表明您接受并同意遵守本许可的条款。在您接受这些条款和规定的前提下，许可人授予您本许可所包括的权利。,查看全部,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，,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,数据来源：,NASA/WAMP,2008,3,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；,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,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,/,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,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,：过热液滴气泡室直接探测方法,8,间接探测原理,1.WIMPs,在太阳晕轮（,solar halo),中与质子和,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,：,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,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,暗物质空间探测,暗物质探测在中国,11,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：,80,90MeV,12,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,S4,13,PAMELA,磁谱仪,构成,永磁体：,铷铁硼烧结的磁性材料,581mm,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，,68mm,14,PAMELA,磁谱仪,功能,测量,Z,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,10,5,/s,，死时间是,1.1ms,位置分辨率,(3.0 0.1),m,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,：,86 bar,2,，,2,7mm,S2,：,22 bar,2,，,2,5mm,S3,：,33 bar,2,，,2,7mm,共,24,根闪烁体，,48,个,PMT,16,PAMELA,飞行时间探测系统（,TOF,）,功能,测量,Z,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,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,380m,33,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,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,构成,218,个,3,He,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,TeV,PAMELA,中子探测器,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,功能,离线分析，,鉴别,good trigger,和,false trigger,（,75%,）,fauls,trigger,good trigger,23,PAMELA,整体技术指标,探测孔径张角：,1916,总重：,470Kg,功率：,360W,尺寸：,L91cmW89cmH123cm,磁谱仪位置精度：,4m,（有偏转）和,15m,（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,2x10,5,PAMELA,置于一个常压容器中,24,PAMELA,25,PAMELA,26,ATIC,A,dvanced,T,hin,I,onization,C,alorimeter,27,AMS-02,A,lpha,M,agnetic,S,pectrometer,28,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（,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,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,1.5100GeV,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.,An anomalous positron abundance in cosmic rays,with energies 1.5100,GeV,J.Nature,2009,458:607 609.,30,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,300800GeV,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,*AMS,ATIC,BETS,HEAT,乳胶室,PPB-BETS,实线：天体源,J.Chang,etc.,An excess of cosmic ray electrons at energies of,300800,GeV,J,.Nature,2008,456:362 365.,31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,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,A,33,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,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,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,36,1 CONTENT OF THE UNIVERSE DB:,map.gsfc.nasa.gov/media/080998/index.html,2008.,2 Dark matter-Wikipedia,the free encyclopedia DB:,,enwikipedia.org/wiki/Dark_matter,2009.,3 A ZIP Detector DB:,,cdms.berkeley.edu/public_pics/One_ZIP.html,4 CDMS Story DB:,,cdms.berkeley.edu/experiment.html#detectors,5 CDMS Posters DB:,,www.soudan.umn.edu/cdms/cdms_posters.html,6 XENON Dark Matter Project-XENON100,ExperimentDB,:,xenon.astro.columbia.edu/xenon100.html,7 E.,Aprile,T.,Doke,.Liquid Xenon Detectors for Particle Physics and Astrophysics DB:,xenon.astro.columbia.edu/publications/RMP_022409_rev29.pdf,2009.,8 Elena,Aprile,The XENON100 Dark Matter Experiment at LNGS:Status and Sensitivity R:Presented at TAUP,Rome,July 2,2009.,9 Weakly interacting massive particles-Wikipedia,the free encyclopedia DB:,en.wikipedia.org/wiki/Weakly_interacting_massive_particles,2009.,10 P.,Picozza,etc.PAMELA A payload for antimatter matter exploration and light-nuclei astrophysics J.,Astroparticle,Physics,2007,27:296 315.,Pamela instruments DB:,pamela.roma2.infn.it/index.php?option=com_content&task=view&id=28&Itemid=256,.,O.Adriani,etc.An anomalous positron abundance in cosmic rays with energies 1.5100,GeV,J.Nature,2009,458:607 609.,J.Chang,etc.An excess of cosmic ray electrons at energies of 300800,GeVJ,.Nature,2008,456:362 365.,14,中国加速追寻暗物质,N:,2009.11.10.,15,美物理学家研制成功暗物质粒子探测器,N,：,2008.12.23.,参考文献,37,Thank You!,2009.12.16,谢佳雯 代智涛,