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1、Guoming CHEN,1,2019/7/31,探测暗物质的设想,陈国明 中科院高能所 2005年2月1日,2019/7/31,Guoming CHEN,2,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,2019/7/31,Guoming CHEN,3,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,2019/7/31,Guoming CHEN,4,通过湮灭线探测暗物质,由于加速机制和气体尘埃
2、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。,2019/7/31,Guoming CHEN,5, 的质量和湮灭截面,质量的不确定性 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。,2019/7/31,Guoming CHEN,6,的分布,Moore,NFW,2019/7/31,Guoming CHEN,7,子结构成团过程,毕效军提供,2019/7/31,Guoming CHEN,8,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,2019/
3、7/31,Guoming CHEN,9,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,2019/7/31,Guoming CHEN,10,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.,2019/7/31,Guoming CHEN,11
4、,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,2019/7/31,Guoming CHEN,12,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 GF: 0.9m2sr,2019/7/31,Guoming CHEN,13,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: 1GeV2TeV 能量分辨: 3%,2019/7/31,Guoming CHEN,
5、14,太空实验:CALET,通过湮灭线 来探测暗物 质 GF: 0.5m2sr 能区: 20MeV-20TeV,2019/7/31,Guoming CHEN,15,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,2019/7/31,Guoming CHEN,16,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,2019/7/31,Guoming CHEN,17,设想一 在太空观测湮灭线,能量分辨:5% 能区:
6、30GeV300TeV 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,2019/7/31,Guoming CHEN,18,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),2019/7/31,Guoming CHEN,19,量能器构造,25层 13000道,2019/7/31,Guoming CHEN,20,HEGARD,名称: High Energy Gamma Ray Detector 简称:
7、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,2019/7/31,Guoming CHEN,21,能量测量,厚度：25 r.l. 三维读出 横向纵向泄漏修正 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.,2019/7/31,Guoming CHEN,22,方向测量,三维读出， 重建簇射 方向 测量精度：优于0.5o,AMS02 量能器 束流测试结果,2019/7/31,Guoming CHEN,23,电磁簇射与强
8、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）,2019/7/31,Guoming CHEN,24,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,2019/7/31,Guoming CHEN,25,模拟结果,2x10-6,50万,100GeV,100GeV,2019/7/31,Guoming CHEN,26,带电粒子与中性粒子的区分,带
9、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: 10-4,2019/7/31,Guoming CHEN,27,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。 1.31.320.910.08 m2sr 其中0.9为光子的效率。,2019/7/31,Guoming CHEN,28,与GLAST对比,按照GLAST的设计,要测量30GeV-300TeV 的, 达到10m2 sr的能力, 则需 90吨,2019/7/31,Guoming CHEN,29,与CALET对比,按照CALET的设计,达到10m
10、2 sr的能力, 则需 50吨,2019/7/31,Guoming CHEN,30,与AMS02对比(湮灭线部分),2019/7/31,Guoming CHEN,31,小结,设计具有先进性: 用相对轻的重量获得大的接收度。,2019/7/31,Guoming CHEN,32,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,2019/7/31,Guoming CHEN,33,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
11、的推动,2019/7/31,Guoming CHEN,34,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,2019/7/31,Guoming CHEN,35,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. 2006-2010 R&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。,2019/7/31,Guoming CH
12、EN,36,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,2019/7/31,Guoming CHEN,37,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,2019/7/31,Guoming CHEN,38,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,2019/7/31,Guoming CHEN,39,利用 爆 探测量子引力效应,John Ellis 真空性质 暗能量,2019/7/31,Guoming CHEN,40,设想二 在羊八井ARGO阵列安插次级中子探测器,使得/p 分辨从10-1提高到10-310-4 通过连续能谱的抬高的测量推测暗物质的存在 寻找点源,确定是否存在子结构,为切仑柯夫望远镜指明方向,2019/7/31,Guoming CHEN,41,总结,在暗物质探测上面临重大机遇， 必须有所行动,