暗物质的空间探测课件

,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,暗物质的空间探测谢佳雯 近代物理系,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,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,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,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,WIMPs WIMPs1 粒子只通过弱核力和引力产生相互作用,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,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,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 直接探测前提如果我们的宇宙中暗物质由WIMPs,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,直接探测方法 直接探测原理WIMPs/中微子：与靶物质的原子,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,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,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,间接探测原理1.WIMPs在太阳晕轮（solar halo,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,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,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,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,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：50270MeV,反质子：8090MeV,12,PAMELA主要任务：Wizard 合作组（俄罗斯，意大利，,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磁谱仪中子探测器反符合系统飞行时间系统量能器底部,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 磁谱仪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,，27mm,S2：22 bar,2,，25mm,S3：33 bar,2,，27mm,共24根闪烁体，48个PMT,16,PAMELA 飞行时间探测系统（TOF）构成S1：86,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 飞行时间探测系统（TOF）功能 技术指标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 构成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 取样成像电磁量能器 功能电磁簇射强子簇射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,PAMELA 簇射尾部接收闪烁体 构成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1020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,构成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 构成CAS/CARDCAT22,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 反符合系统 功能fauls trigger,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 整体技术指标 探测孔径张角：191624,PAMELA,25,PAMELA25,PAMELA,26,PAMELA26,ATIC,A,dvanced,T,hin,I,onization,C,alorimeter,27,ATIC Advanced Thin Ionization,AMS-02,A,lpha,M,agnetic,S,pectrometer,28,AMS-02 Alpha Magnetic Spectrom,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）,20002008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,暗物质的空间探测PAMELA:正电子，反质子,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 PAMELA的正电子探测结果与之前的实,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 GeVJ.Nature,2008,456:362 365.,31,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,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,暗物质探测在中国目录暗物质探测方法暗物质空间探测总结暗物质探,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,暗物质探测在中国空间暗物质探测器 发射卫星 紫金山天文台、高,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,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 暗物质 WIMPs 探测技术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