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暗物质探测方法探测方法暗物质空间探测暗物质空间探测总结总结暗物质暗物质暗物质探测在中国暗物质探测在中国2暗物质p 什么是暗物质？什么是暗物质？ 不放射也不吸收不放射也不吸收光或任何电磁波光或任何电磁波 不可见不可见只通过引力作用只通过引力作用与其他物质相互反应与其他物质相互反应 p 暗物质是否存在暗物质是否存在1933年，年，Fritz Zwicky，首次发现，首次发现，virtual定理，初步证实存在定理，初步证实存在天文学发展：两种天文学发展：两种间接间接方法，动力学方法和引力透镜方法方法，动力学方法和引力透镜方法2006年，年，钱德拉望远镜，钱德拉望远镜，星系碰撞，星系碰撞，直接直接证据证据数据来源：数据来源：NASA/WAMP,20083WIMPsp WIMPs大质量相互弱作用粒子大质量相互弱作用粒子 Weakly Interacting Massive Particles 一种超对称中轻微子一种超对称中轻微子 supersymmetric neutralino最有可能的冷暗物质最有可能的冷暗物质 热暗物质热暗物质1 1 粒子只通过粒子只通过弱核力和引力弱核力和引力产生相互作用，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；或者粒子的相互作用截面小于弱核力作用截面；2 2 与普通粒子相比与普通粒子相比质量较大质量较大。p 轴子（轴子（axion），），MACHOs4目录暗物质暗物质探测方法探测方法暗物质空间探测暗物质空间探测总结总结探测方法探测方法暗物质探测在中国暗物质探测在中国5直接探测方法p 直接探测前提直接探测前提如果我们的宇宙中暗物质由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组成，那么每秒会有数量巨大的WIMPs穿过地球。穿过地球。 p WIMPs源源宇宙宇宙实验室：实验室：加速器，加速器，如如LHC 忽略与普通物质作用忽略与普通物质作用 根据根据碰撞损失的能量和动量碰撞损失的能量和动量来推断它是否产生来推断它是否产生6直接探测方法p 直接探测原理直接探测原理WIMPs/中微子：与靶物质的中微子：与靶物质的原子核原子核发发生散射生散射质子质子/电子电子/射线：与靶物质的射线：与靶物质的电子电子发生散射发生散射7p直接探测实验直接探测实验地下深处：屏蔽宇宙射线的噪声地下深处：屏蔽宇宙射线的噪声，如中微子等，如中微子等p按靶物质分为两类按靶物质分为两类1.环境温度环境温度10mK 硅或锗硅或锗晶体晶体 探测探测晶体振动和电阻变化晶体振动和电阻变化 CDMS，CRESST，EDELWEISS，EURECA，2.环境温度环境温度160K 两相两相Xe或或Ar TPC 探测探测闪烁光和电子离子对闪烁光和电子离子对 XENON，ArDM，非主流：非主流：DRIFT：CS2 DAMA/LIBRA：NaI（Ti）PICASSO：过热液滴气泡室：过热液滴气泡室直接探测方法8p 间接探测原理间接探测原理1.WIMPs在太阳晕轮（在太阳晕轮（solar halo)中与质子和中与质子和粒子相互作用，失去能量粒子相互作用，失去能量被太阳捕获被太阳捕获2.积累到一定程度，积累到一定程度，相互湮灭，多种产物产生相互湮灭，多种产物产生：射线、粒子与反粒子对、中微子等射线、粒子与反粒子对、中微子等间接探测方法9间接探测方法p 间接探测实验间接探测实验1.空间：探测空间：探测宇宙线宇宙线，主要是，主要是射线、粒子与反粒子对等射线、粒子与反粒子对等 寻找湮灭产物的能谱线和分布特征，寻找湮灭产物的能谱线和分布特征，寻找湮灭痕迹寻找湮灭痕迹 PAMELA, ATIC, Fermi, AMS, 2.地表或地下：探测地表或地下：探测中微子中微子 Super-Kamiokande, SNO+, 10目录暗物质暗物质探测方法探测方法暗物质空间探测暗物质空间探测总结总结暗物质空间探测暗物质空间探测暗物质探测在中国暗物质探测在中国11PAMELAp主要任务：主要任务：1.1.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2.2.搜寻反原子核（特别是反氦核）搜寻反原子核（特别是反氦核）3.3.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pWizard 合作组（俄罗斯，意大利，德国，瑞典）合作组（俄罗斯，意大利，德国，瑞典）p设计指标（暗物质探测）设计指标（暗物质探测） 正电子：正电子：5050270MeV270MeV 反质子：反质子：808090MeV90MeV12PAMELA磁谱仪磁谱仪中子探测器中子探测器反符合系统反符合系统飞行时间系统飞行时间系统量能器量能器底部闪烁体底部闪烁体S413PAMELAp 磁谱仪磁谱仪p 构成构成 永磁体：永磁体：铷铁硼烧结的磁性材料铷铁硼烧结的磁性材料, 581mm, 内部均匀磁场内部均匀磁场0.4T 硅径迹探测器（硅径迹探测器（tracker）：双面硅微条探测器，两面微条正交，：双面硅微条探测器，两面微条正交，68mm 14PAMELAp 磁谱仪磁谱仪 p 功能功能 测量测量Z 电荷电荷符号，符号，动量动量大小、方向，大小、方向，磁刚度（磁刚度（rigidity）（R=cp/Ze） = 鉴别粒子鉴别粒子p 技术指标技术指标 最高最高计计数率可以达到数率可以达到105/s，死，死时间时间是是1.1ms 位置分辨率位置分辨率(3.0 0.1) m 最大可最大可测测磁磁刚刚度度为为1TV15PAMELAp 飞行时间探测系统（飞行时间探测系统（TOF）p 构成构成 三个高速塑料闪射体平板三个高速塑料闪射体平板 每个平板有两层，相互正交每个平板有两层，相互正交S1：86 bar2 ，2 27mm7mmS2：22 bar2 ，2 25mm5mmS3：33 bar2 ，2 27mm7mm共共24根闪烁体，根闪烁体，48个个PMT16PAMELAp 飞行时间探测系统（飞行时间探测系统（TOF）p 功能功能 测量测量Z速度速度 区分物理反照活动（区分物理反照活动（albedo activity）来自量能器的背散射）来自量能器的背散射 测量闪烁体内测量闪烁体内电离损失电离损失=粒子电荷大小粒子电荷大小 允许附加研究：连锁反应，粗略的径迹测量，允许附加研究：连锁反应，粗略的径迹测量，p 技术指标技术指标 时间分辨率：时间分辨率：250ps=可区分动量在可区分动量在1GeV/c以上的反质子和电子，正电子与质子以上的反质子和电子，正电子与质子17PAMELAp 取样成像电磁量能器取样成像电磁量能器p 构成构成 44个个单面硅微条探测器平面单面硅微条探测器平面(灵敏层），灵敏层），厚厚380m 33个单元个单元/面，面，32个读出微条个读出微条/单元，单元，相邻面微条正交相邻面微条正交 22层层钨簇射介质钨簇射介质，厚，厚0.26cm 18PAMELAp 取样成像电磁量能器取样成像电磁量能器p 功能功能 探测探测二维位置，二维位置，测量测量能量损失能量损失=区分电磁簇射和强子簇射区分电磁簇射和强子簇射 =区分区分正电子与质子正电子与质子,反质子与电子反质子与电子 区分度区分度90%以上以上电磁簇射电磁簇射强子簇射强子簇射19PAMELAp 簇射尾部接收闪烁体簇射尾部接收闪烁体p 构成构成 1片正方形闪烁体，厚片正方形闪烁体，厚1cm 6个个PMTp功能功能 记录量能器泄露电子数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为中子探测器提供高能触发20p 构成构成 218个个3He正比计数器正比计数器 包围：聚丙烯塑料包裹薄镉层包围：聚丙烯塑料包裹薄镉层 =防止热中子从侧面或底部进入防止热中子从侧面或底部进入p功能功能 作为量能器作为量能器区分电子和强子的补充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强子簇射产生的中子是电磁簇射的1020倍倍 与量能器一起，可提供与量能器一起，可提供初级电子能量，几个初级电子能量，几个TeVPAMELAp 中子探测器中子探测器21PAMELAp 反符合系统反符合系统p 构成构成 主：主：CAT + 4个个CAS 次：次：4个个CARD（未启用）（未启用） 塑料散射体塑料散射体 + PMTsCAS/CARDCAT22PAMELAp 反符合系统反符合系统p 功能功能 离线分析，离线分析，鉴别鉴别good trigger和和false trigger（75%） fauls triggergood trigger23PAMELAp 整体技术指标整体技术指标p 探测孔径张角：探测孔径张角：1916p 总重：总重：470Kgp 功率：功率：360Wp 尺寸：尺寸：L91cmW89cmH123cmp 磁谱仪位置精度：磁谱仪位置精度：4m（有偏转）和（有偏转）和15m（无偏转）（无偏转）p 最大可测动量：最大可测动量：1TV/cp 死时间：死时间：1.1msp 飞行时间分辨率飞行时间分辨率（原子核）（原子核） ：好于：好于100psp 符合时间分辨率：符合时间分辨率：10nsp 能量分辨率（高能电子）能量分辨率（高能电子） ：好于：好于10%p 动量分辨率（动量分辨率（10GeV质子）：好于质子）：好于10%p 电磁簇射和强子簇射的区分能力：好于电磁簇射和强子簇射的区分能力：好于2x105 p PAMELA置于一个常压容器中置于一个常压容器中24PAMELA25PAMELA26ATICp Advanced Thin Ionization Calorimeter27AMS-02p Alpha Magnetic Spectrometer28暗物质的空间探测PAMELA: 正电子正电子，反质子，反质子 2006年年6月月15日上天日上天ATIC：正电子与电子（无法区分）正电子与电子（无法区分） 20002008年年4次南极上空飞行次南极上空飞行Fermi： 高能光子（高能光子（射线），射线），正电子正电子，等，等 2008年年6月月11日上天日上天AMS: 正电子正电子 预计预计2010年年6月上天月上天p 理论上，只有暗物质湮灭会产生小型理论上，只有暗物质湮灭会产生小型高能高能正电子爆正电子爆 宇宙中其他过程也会产生正电子，但是宇宙中其他过程也会产生正电子，但是全能量范围全能量范围 因此，只要因此，只要探测到正电子在高能范围的异常现象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，将是可能的湮灭证据29空间探测结果目前进展p PAMELA的正电子探测结果与之前的实验符合地很好的正电子探测结果与之前的实验符合地很好p 在在1.5100GeV处出现正电子异常处出现正电子异常实线实线理论上计算的来自理论上计算的来自 天体源的正电子天体源的正电子PAMELAPAMELA和之前的实验和之前的实验都有明显偏离实线的倾向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p ATIC的探测结果与之前的实验符合地很好的探测结果与之前的实验符合地很好p 在在300800GeV出现正电子异常出现正电子异常p 有待有待PAMELA证实，但被证实，但被Fermi实验结果削弱实验结果削弱 = 没探测到异常没探测到异常*AMSATICBETSHEAT乳胶室乳胶室PPB-BETS实线：天体源实线：天体源J.Chang, etc. An excess of cosmic ray electrons at energies of 300800 GeVJ. Nature, 2008, 456: 362 365. 31暗物质探测在中国暗物质探测在中国目录暗物质暗物质探测方法探测方法暗物质空间探测暗物质空间探测总结总结暗物质探测在中国暗物质探测在中国32暗物质探测在中国p空间暗物质探测器空间暗物质探测器 发射卫星发射卫星 紫金山天文台、高能所、兰州近物所、科大紫金山天文台、高能所、兰州近物所、科大p四川锦屏山四川锦屏山地下实验室地下实验室 2500m 清华大学清华大学p液氙探测器液氙探测器 200kg 上海交大上海交大p南极南极施密特望远镜阵施密特望远镜阵（AST3）位于南极冰穹）位于南极冰穹A33暗物质探测在中国暗物质探测在中国目录暗物质暗物质探测方法探测方法暗物质空间探测暗物质空间探测总结总结总结总结34总结p 暗物质暗物质 不参与电磁相互作用：无法被观测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：难以被探测不参与强核力作用：不与普通物质发生作用：难以被探测p WIMPs 弱核力和引力弱核力和引力 大质量大质量p 探测技术探测技术 直接探测：与靶物质的散射作用直接探测：与靶物质的散射作用 间接探测：湮灭产物的能谱间接探测：湮灭产物的能谱 WIMPs源：宇宙源：宇宙 or 实验室实验室35总结p 探测进展探测进展p 没有确切证实没有确切证实WIMPs存在的证据存在的证据 发现了一些可能证据发现了一些可能证据 天体（如脉冲星）的影响无法排除天体（如脉冲星）的影响无法排除p 需要所有探测器数据一致需要所有探测器数据一致 困难困难 仪器精度不同、能量分辨率不同仪器精度不同、能量分辨率不同p 受到质疑受到质疑 是否可行？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？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？是否有更有效的探测技术？p 展望展望 实验实验探索探索 理论理论完善完善 361 CONTENT OF THE UNIVERSE DB: http:/map.gsfc.nasa.gov/media/080998/index.html, 2008.2 Dark matter - Wikipedia, the free encyclopedia DB: http:/en.wikipedia.org/wiki/Dark_matter, 2009.3 A ZIP Detector DB: http:/cdms.berkeley.edu/public_pics/One_ZIP.html4 CDMS Story DB: http:/cdms.berkeley.edu/experiment.html#detectors5 CDMS Posters DB: http:/www.soudan.umn.edu/cdms/cdms_posters.html6 XENON Dark Matter Project - XENON100 ExperimentDB: http:/xenon.astro.columbia.edu/xenon100.html7 E. Aprile, T. Doke. Liquid Xenon Detectors for Particle Physics and Astrophysics DB: http:/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: http:/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: 296 315.11Pamela instruments DB: http:/pamela.roma2.infn.it/index.php?option=com_content&task=view&id=28&Itemid=256.12O.Adriani, etc. An anomalous positron abundance in cosmic rays with energies 1.5100 GeV J. Nature, 2009, 458: 607 609. 13J.Chang, etc. An excess of cosmic ray electrons at energies of 300800 GeVJ. Nature, 2008, 456: 362 365. 1414 中国加速追寻暗物质中国加速追寻暗物质N: http:/www.sciencenet.cn/skhtmlnews/2009/11/787.html, 科技日报科技日报, 2009.11.10.15 美物理学家研制成功暗物质粒子探测器美物理学家研制成功暗物质粒子探测器N：http:/www.sciencenet.cn/htmlnews/2008/12/214703.html, 科技日报科技日报, 2008.12.23.参考文献37Thank You!2009.12.16谢佳雯 代智涛