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1、探测暗物质的设想陈国明中科院高能所2005年2月1日2023/2/42023/2/41 1Guoming CHEN Guoming CHEN 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2023/2/42023/2/42 2Guoming CHEN Guoming CHEN 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2023/2/42023/2/43 3Guoming CHEN Guoming CHEN 通过湮灭线探测暗物
2、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而湮灭线则是决定性的的，因此建议通过湮灭线来探测暗物质。2023/2/42023/2/44 4Guoming CHEN Guoming CHEN 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。2023/2/42023/2/45 5Guoming CHEN Guoming CHEN 的分布MooreNFW2023/2/42023/2/46 6Guoming CHEN Guoming CHEN 子结构成团过程 毕效军提供2023
3、/2/42023/2/47 7Guoming CHEN Guoming CHEN 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2023/2/42023/2/48 8Guoming CHEN Guoming CHEN 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,只能定点只能定点探测面积:大探测时间:晴好无月的夜晚2023/2/42023/2/49 9Guoming CHEN Guoming CHEN 地面探测:广延大气簇射阵列 我国羊八井的我国羊八井的ARGOARGO可以说
4、是其代表，对于暗物质可以说是其代表，对于暗物质探测，其优点是探测，其优点是:面积大面积大;视野宽视野宽;可采用巡天模式可采用巡天模式,blind search,blind search 缺点是缺点是:/p/p的区分较差，约为的区分较差，约为1010-1-1，/e/e 不分，不分，能量分辨差能量分辨差(100%)(100%)，能量的刻度困难，能量的刻度困难.2023/2/42023/2/41010Guoming CHEN Guoming CHEN 地面探测小结切仑柯夫望远镜切仑柯夫望远镜:不能作blind search广延大气簇射阵列广延大气簇射阵列:不能测湮灭线不能测湮灭线2023/2/420
5、23/2/41111Guoming CHEN Guoming CHEN 太空实验:GLAST既能作blind search,又能测量湮灭湮灭线线(能量分辨能量分辨12%)12%)但仅限于但仅限于300GeV 300GeV 以以下下GF:0.9mGF:0.9m2 2srsr2023/2/42023/2/41212Guoming CHEN Guoming CHEN 太空实验:AMS02通过反质子、正电子通过反质子、正电子的能谱探测暗物质的能谱探测暗物质GF:0.5 mGF:0.5 m2 2srsr能区能区:1GeV2TeV:1GeV2TeV通过湮灭线来探测暗通过湮灭线来探测暗物质物质 GF:0.1
6、2 m GF:0.12 m2 2srsr能区能区:1GeV2TeV:1GeV2TeV能量分辨能量分辨:3%:3%2023/2/42023/2/41313Guoming CHEN Guoming CHEN 太空实验:CALET通过湮灭线来探测暗物质 GF:0.5m2sr能区:20MeV-20TeV2023/2/42023/2/41414Guoming CHEN Guoming CHEN 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2023/2/42023/2/41515Guoming CHEN Guoming CHEN 国内实验基础分析
7、 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2023/2/42023/2/41616Guoming CHEN Guoming CHEN 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CALET大20倍 比AMS02大100倍重量:在发射能力以内2023/2/42023/2/41717Guoming CHEN Guoming CHEN 探测器的概念设计 1.65m*1.65m*0.65m 25 r.l.5m2sr 5000kg HEG
8、ARD(High Energy Gamma ray Detector)2023/2/42023/2/41818Guoming CHEN Guoming CHEN 量能器构造25层13000道2023/2/42023/2/41919Guoming CHEN Guoming CHEN HEGARD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 2023/2/42023/2/42020Guoming CHEN Guoming CHEN 能量测量厚度：厚
9、度：25 r.l.25 r.l.三维读出三维读出 横向纵向泄漏修正横向纵向泄漏修正范围范围:30GeV300TeV :30GeV300TeV 能量分辨：优于能量分辨：优于5%5%AMS02 AMS02 量能器的经验量能器的经验(16r.l.(16r.l.束流测试结果）：束流测试结果）：80TeV:17r.l.2023/2/42023/2/42121Guoming CHEN Guoming CHEN 方向测量三维读出，三维读出，重建簇射重建簇射 方向方向测量精度：优于测量精度：优于0.50.5o o AMS02 AMS02 量能器量能器 束流测试结果束流测试结果2023/2/42023/2/42
10、222Guoming CHEN Guoming CHEN 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）2023/2/42023/2/42323Guoming CHEN Guoming CHEN 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2023/2/42023/2/42424Guoming CHEN Guoming CHEN 模拟结果2x10
11、-650万100GeV100GeV2023/2/42023/2/42525Guoming CHEN Guoming CHEN 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：簇射反冲：被塑料橡胶被塑料橡胶 吸收吸收光子效率：95%电子:10-42023/2/42023/2/42626Guoming CHEN Guoming CHEN 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。2023/2/42023/2/42727Guoming CHEN Guomin
12、g CHEN 与GLAST对比HEGARDHEGARDGLASTGLAST尺寸尺寸(m)(m)1.58*1.58*0.631.58*1.58*0.631.8*1.8*11.8*1.8*1几何因子几何因子 (m(m2 2 sr)sr)10100.90.9能量能量30GeV300TeV30GeV300TeV20MeV300GeV20MeV300GeV重量重量5000kg 5000kg 25 r.l.25 r.l.3000kg 8.4 r.l.3000kg 8.4 r.l.按照按照GLASTGLAST的设计的设计,要测量要测量30GeV-300TeV 30GeV-300TeV 的的,达到达到10m1
13、0m2 2 sr sr的能力的能力,则需则需 9090吨吨2023/2/42023/2/42828Guoming CHEN Guoming CHEN 与CALET对比HEGARDHEGARDCALETCALET尺寸尺寸(m)(m)1.58*1.58*0.631.58*1.58*0.63几何因子几何因子 (m(m2 2 sr)sr)10100.50.5能量能量30GeV300TeV30GeV300TeV20MeV10TeV20MeV10TeV重量重量5000kg 5000kg 25 r.l.25 r.l.2500kg 36 r.l.2500kg 36 r.l.按照按照CALETCALET的设计的
14、设计,达到达到10m10m2 2 sr sr的能力的能力,则则需需 5050吨吨2023/2/42023/2/42929Guoming CHEN Guoming CHEN 与AMS02对比(湮灭线部分)HEGARDHEGARDAMS02AMS02尺寸尺寸(m)(m)1.58*1.58*0.631.58*1.58*0.63几何因子几何因子 (m(m2 2 sr)sr)10100.120.12能量能量30GeV300TeV30GeV300TeV1GeV2TeV1GeV2TeV重量重量5000kg 5000kg 25 r.l.25 r.l.7000kg 16 r.l.7000kg 16 r.l.20
15、23/2/42023/2/43030Guoming CHEN Guoming CHEN 小结设计具有先进性:用相对轻的重量获得大的接收度。2023/2/42023/2/43131Guoming CHEN Guoming CHEN 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2023/2/42023/2/43232Guoming CHEN Guoming CHEN 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2023/2/42023/2
16、/43333Guoming CHEN Guoming CHEN 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 2023/2/42023/2/43434Guoming CHEN Guoming CHEN 分步决策,降低风险蒙特卡罗模拟蒙特卡罗模拟,改进设计改进设计 制作小模型，技术储备制作小模型，技术储备.2006-20102006-2010R&D,R&D,样品制作样品制作,可行性研究可行性研究 2010-20152010-2015制作飞行件，发射上天制作飞行件，发射上天 2017 2017 估计估计的质量的质量 及及流流量量,优化设计优化设计.如果技如果技术确
17、实可靠则进入第术确实可靠则进入第三步。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。2023/2/42023/2/43535Guoming CHEN Guoming CHEN 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2023/2/42023/2/43636Guoming CHEN Guoming CHEN 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2023/2/42023/2/43737Guoming CHEN G
18、uoming CHEN 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 2023/2/42023/2/43838Guoming CHEN Guoming CHEN 利用 爆 探测量子引力效应John Ellis John Ellis 真空性质真空性质 暗能量暗能量2023/2/42023/2/43939Guoming CHEN Guoming CHEN 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2023/2/42023/2/44040Guoming CHEN Guoming CHEN 总结 在暗物质探测上面临重大机遇，必须有所行动2023/2/42023/2/44141Guoming CHEN Guoming CHEN