探測(cè)暗物質(zhì)的設(shè)想

1、探測(cè)暗物質(zhì)的設(shè)想陳國明中科院高能所2005年2月1日2022/8/261 暗物質(zhì)有多個(gè)候選者,這里只想驗(yàn)證: 最小超對(duì)稱粒子, neutralino, 是否就是暗物質(zhì)2022/8/262的相互作用散射: q q 湮滅線： :E= m Z: E= m（1-mz2/4 m2）連續(xù)譜：f fbar, WW, ZZ, ZH, 反質(zhì)子、正電子和（來自0）在與 m 相關(guān)的某個(gè)區(qū)域出現(xiàn)抬高2022/8/263通過湮滅線探測(cè)暗物質(zhì)由于加速機(jī)制和氣體塵埃的分布不很清楚，連續(xù)譜如果出現(xiàn)整體抬高會(huì)有很多解釋，而湮滅線則是決定性的，因此建議通過湮滅線來探測(cè)暗物質(zhì)。2022/8/264 的質(zhì)量和湮滅截面質(zhì)量的不確定性

2、30GeVm340TeV，30GeV以下已被實(shí)驗(yàn)排除。的湮滅截面的理論計(jì)算取決于參數(shù)的選取。2022/8/265的分布MooreNFW2022/8/266子結(jié)構(gòu)成團(tuán)過程 畢效軍提供2022/8/267探測(cè)湮滅線的要求能量分辨高視野寬面積大粒子識(shí)別能力強(qiáng) 有效幾何因子=視野x面積x效率2022/8/268地面探測(cè):切侖柯夫望遠(yuǎn)鏡能區(qū) :10GeV10TeV能量分辨: 大約15% /p分辨: 10-210-3/e分辨: 不能視野 : 約為3o ,只能定點(diǎn)探測(cè)面積 : 大探測(cè)時(shí)間: 晴好無月的夜晚2022/8/269地面探測(cè):廣延大氣簇射陣列 我國羊八井的ARGO可以說是其代表，對(duì)于暗物質(zhì)探測(cè)，其優(yōu)

3、點(diǎn)是: 面積大; 視野寬; 可采用巡天模式, blind search 缺點(diǎn)是: /p的區(qū)分較差，約為10-1， /e 不分，能量分辨差(100%)，能量的刻度困難.2022/8/2610地面探測(cè)小結(jié)切侖柯夫望遠(yuǎn)鏡: 不能作blind search廣延大氣簇射陣列:不能測(cè)湮滅線2022/8/2611太空實(shí)驗(yàn):GLAST既能作blind search,又能測(cè)量湮滅線(能量分辨12%)但僅限于300GeV 以下2sr2022/8/2612太空實(shí)驗(yàn):AMS02通過反質(zhì)子、正電子的能譜探測(cè)暗物質(zhì)GF: 0.5 m2sr能區(qū): 1GeV2TeV通過湮滅線來探測(cè)暗物質(zhì) GF: 0.12 m2sr能區(qū): 1

4、GeV2TeV能量分辨: 3% 2022/8/2613太空實(shí)驗(yàn):CALET通過湮滅線來探測(cè)暗物質(zhì) GF:2sr能區(qū): 20MeV-20TeV2022/8/2614太空實(shí)驗(yàn)小結(jié)既能作blind search(大視野,巡天)又能測(cè)量湮滅線(能量分辨高)關(guān)鍵在于 幾何因子2022/8/2615國內(nèi)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)分析 地面: 切侖柯夫望遠(yuǎn)鏡, 沒有基礎(chǔ); 廣延大氣簇射陣列,羊八井 太空: 高能所參加AMS合作,設(shè)計(jì)制作 電磁量能器; 紫臺(tái)參加ATIC, CALET合作2022/8/2616設(shè)想一在太空觀測(cè)湮滅線能量分辨:5%能區(qū):30GeV300TeV幾何因子: 10m2sr 比GLAST大10倍 比CAL

5、ET大20倍 比AMS02大100倍重量: 在發(fā)射能力以內(nèi)2022/8/2617探測(cè)器的概念設(shè)計(jì) 1.65m*0.65m 25 . 5m2sr 5000kg HEGARD (High Energy Gamma ray Detector) 2022/8/2618量能器構(gòu)造25層13000道2022/8/2619HEGARD名稱: High Energy Gamma Ray Detector簡(jiǎn)稱: HEGARD 尺寸: 158cm158cm63cm 重量：6噸軌道高度: 大于4500 公里, 豎立,兩面都能接 收在軌時(shí)間: 3年 2022/8/2620能量測(cè)量厚度：25 . 三維讀出 橫向縱向泄漏

6、修正范圍: 30GeV300TeV 能量分辨：優(yōu)于5%AMS02 量能器的經(jīng)驗(yàn)(16r.l. 束流測(cè)試結(jié)果）： 80TeV: 17r.l.2022/8/2621方向測(cè)量三維讀出， 重建簇射 方向測(cè)量精度：優(yōu)于o AMS02 量能器 束流測(cè)試結(jié)果2022/8/2622電磁簇射與強(qiáng)子簇射的區(qū)分塑料橡膠： 用來慢化次級(jí)中子外層含硼閃爍體： 探測(cè)慢中子 n+10B7Li+ 和 在含硼閃爍體中產(chǎn)生輸出電磁簇射：很少產(chǎn)生次級(jí)中子強(qiáng)子簇射：產(chǎn)生大量次級(jí)中子（1TeV的質(zhì)子入射，簇射以后產(chǎn)生約1000個(gè)次級(jí)中子）2022/8/2623模擬結(jié)果在B-loaded scintilllator中如果時(shí)間比量能器晚1

7、0ns 以上，則被認(rèn)為是次級(jí)中子信號(hào)2022/8/2624模擬結(jié)果2x10-650萬100GeV100GeV2022/8/2625帶電粒子與中性粒子的區(qū)分帶電粒子：外層閃爍體 著火中性粒子：外層閃爍體 不著火簇射反沖：被塑料橡膠 吸收光子效率：95%電子: 10-42022/8/2626幾何因子 實(shí)際上6個(gè)面都能接收光子，但考慮到衛(wèi)星等服務(wù)設(shè)施的遮擋，只計(jì)算上下兩面。210.08 m2sr其中為光子的效率。2022/8/2627與GLAST對(duì)比HEGARDGLAST尺寸(m)1.58*1.58*0.631.8*1.8*1幾何因子 (m2 sr)100.9能量30GeV300TeV20MeV30

8、0GeV重量5000kg 25 r.l.3000kg 8.4 r.l.按照GLAST的設(shè)計(jì),要測(cè)量30GeV-300TeV 的,達(dá)到10m2 sr的能力, 則需 90噸2022/8/2628與CALET對(duì)比HEGARDCALET尺寸(m)1.58*1.58*0.63幾何因子 (m2 sr)100.5能量30GeV300TeV20MeV10TeV重量5000kg 25 r.l.2500kg 36 r.l.按照CALET的設(shè)計(jì),達(dá)到10m2 sr的能力, 則需 50噸2022/8/2629與AMS02對(duì)比(湮滅線部分)HEGARDAMS02尺寸(m)1.58*1.58*0.63幾何因子 (m2 s

9、r)100.12能量30GeV300TeV1GeV2TeV重量5000kg 25 r.l.7000kg 16 r.l.2022/8/2630小結(jié)設(shè)計(jì)具有先進(jìn)性: 用相對(duì)輕的重量獲得大的接收度。2022/8/2631機(jī)遇比GLAST, AMS02, CALET 具有大得多的能力測(cè)到暗物質(zhì)HEGARD 將是30GeV300TeV能段最大的望遠(yuǎn)鏡,可能有意想不到的收獲對(duì)國力和發(fā)射能力有信心2022/8/2632挑戰(zhàn)探測(cè)器: 能量飽和衛(wèi)星: 用電量, 數(shù)據(jù)率火箭: 大重量, 高軌道 也是對(duì)技術(shù)進(jìn)步的推動(dòng)2022/8/2633風(fēng)險(xiǎn)SUSY 錯(cuò)誤,不存在湮滅截面太小其它實(shí)驗(yàn)先發(fā)現(xiàn),作為第二發(fā)現(xiàn)者，意義不大

10、 2022/8/2634分步?jīng)Q策, 降低風(fēng)險(xiǎn)蒙特卡羅模擬, 改進(jìn)設(shè)計(jì) 制作小模型，技術(shù)儲(chǔ)備. 2006-2010R&D, 樣品制作, 可行性研究 2010-2015制作飛行件，發(fā)射上天 2017 估計(jì)的質(zhì)量 及流量,優(yōu)化設(shè)計(jì). 如果技術(shù)確實(shí)可靠則進(jìn)入第三步。如果LHC發(fā)現(xiàn)超對(duì)稱粒子，但GLAST，AMS02，MAGIC，VERITAS和其他實(shí)驗(yàn)都沒有發(fā)現(xiàn)，則進(jìn)入第二步。2022/8/2635可探測(cè)的粒子光子 電磁中性電子和反電子 電磁帶電長(zhǎng)壽命中性強(qiáng)子 強(qiáng)子中性各種原子核 強(qiáng)子帶電2022/8/2636其它物理目標(biāo)長(zhǎng)壽命中性強(qiáng)子利用 爆 探測(cè)量子引力效應(yīng),研究暗能量彌散能譜 電子能譜 點(diǎn)源宇宙線成份2022/8/2637長(zhǎng)壽命中性強(qiáng)子中性強(qiáng)子: 中子, 鄰近源如果測(cè)到大量中性強(qiáng)子,則突破標(biāo)準(zhǔn)模型 2022/8/2638利用 爆 探測(cè)量子引力效應(yīng)John