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1、Guoming CHEN,1,2023/7/15,探测暗物质的设想,陈国明中科院高能所2005年2月1日,2023/7/15,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,2023/7/15,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,2023/7/15,Guoming CHEN,4,通过湮灭线探测暗物质,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
2、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。,2023/7/15,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。,2023/7/15,Guoming CHEN,6,的分布,Moore,NFW,2023/7/15,Guoming CHEN,7,子结构成团过程,毕效军提供,2023/7/15,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,2023/7/15,Guoming CHEN,9,地面
3、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,2023/7/15,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.,2023/7/15,Guoming CHEN,11,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
4、灭线,2023/7/15,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,2023/7/15,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%,2023/7/15,Guoming CHEN,14,太空实验:CALET,通过湮灭线来探测暗物质 GF:0.5m2sr能区:20MeV-20TeV,2023/7/15,G
5、uoming 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,2023/7/15,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,2023/7/15,Guoming CHEN,17,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,2023/7/15,
6、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),2023/7/15,Guoming CHEN,19,量能器构造,25层13000道,2023/7/15,Guoming CHEN,20,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,2023/7/15,Guoming CHEN,2
7、1,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.,2023/7/15,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,2023/7/15,Guoming CHEN,23,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
8、约1000个次级中子）,2023/7/15,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,2023/7/15,Guoming CHEN,25,模拟结果,2x10-6,50万,100GeV,100GeV,2023/7/15,Guoming CHEN,26,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：被塑料橡胶 吸收,光子效率：95%电子:10-4,2023/7/15,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
9、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。,2023/7/15,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,2023/7/15,Guoming CHEN,29,与CALET对比,按照CALET的设计,达到10m2 sr的能力,则需 50吨,2023/7/15,Guoming CHEN,30,与AMS02对比(湮灭线部分),2023/7/15,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。,2023/7/
10、15,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,2023/7/15,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 也是对技术进步的推动,2023/7/15,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,2023/7/15,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.
11、2006-2010R&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。,2023/7/15,Guoming CHEN,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,2023/7/15,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,2023/7/15,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,2023/7/15,Guoming CHEN,39,利用 爆 探测量子引力效应,John Ellis 真空性质 暗能量,2023/7/15,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,2023/7/15,Guoming CHEN,41,总结,在暗物质探测上面临重大机遇，必须有所行动,
