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直接探测方法
直接探测原理
WIMPs/中微子：与靶物质的原子核发生散射 质子/电子/γ射线：与靶物质的电子发生散射
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直接探测方法
直接探测实验
地下深处：屏蔽宇宙射线的噪声，如中微子等
按靶物质分为两类
1.环境温度10mK 硅或锗晶体 探测晶体振动和电阻变化 CDMS，CRESST，EDELWEISS，EURECA，……
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PAMELA
飞行时间探测系统（TOF）
功能 测量Z<=8带电粒子：飞行时间=>速度 区分物理反照活动（albedo activity）－－来自量能器的背散射 测量闪烁体内电离损失=>粒子电荷大小 允许附加研究：连锁反应，粗略的径迹测量，……
技术指标 时间分辨率：250ps=>可区分动量在1GeV/c以上的反质子和电子，正电子与质子
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PAMELA
反符合系统 飞行时间系统
底部闪烁体S4
磁谱仪
量能器 中子探测器
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PAMELA
磁谱仪
构成 永磁体：铷铁硼烧结的磁性材料, 5×81mm, 内部均匀磁场0.4T 硅径迹探测器（tracker）：双面硅微条探测器，两面微条正交，6×8mm
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PAMELA
磁谱仪
功能 测量Z<=6的带电粒子能损、径迹 => 电荷符号，动量大小、方向，磁刚度（rigidity）（R=cp/Ze） => 鉴别粒子
功能
作为量能器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10～20倍
与量能器一起，可提供初级电子能量，几个TeV
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PAMELA
反符合系统
构成 主：CAT + 4个CAS 次：4个CARD（未启用） 塑料散射体 + PMTs CAS/CARD
CAT
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PAMELA
反符合系统
2.环境温度160K 两相Xe或Ar TPC 探测闪烁光和电子离子对 XENON，ArDM，……
非主流：
DRIFT：CS2 DAMA/LIBRA：NaI（Ti） PICASSO：过热液滴气泡室 ……
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间接探测方法
间接探测原理
1.WIMPs在太阳晕轮（solar halo)中与质子和α粒子相互作用，失去能量被太阳捕获 2.积累到一定程度，相互湮灭，多种产物产生：γ射线、粒子与反粒子对、中微子等
最大可测动量：1TV/c
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 探测方法 暗物质空间探测 暗物质探测在中国
总结
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暗物质
什么是暗物质？
不放射也不吸收光或任何电磁波 不可见 只通过引力作用与其他物质相互反应
暗物质是否存在
1933年，Fritz Zwicky，首次发现，virtual定理，初步证实存在 天文学发展：两种间接方法，动力学方法和引力透镜方法 2006年，钱德拉望远镜，星系碰撞，直接证据
技术指标 最高计数率可以达到105/s，死时间是1.1ms 位置分辨率(3.0 ± 0.1) μm 最大可测磁刚度为1TV
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PAMELA
飞行时间探测系统（TOF）
构成 三个高速塑料闪射体平板 每个平板有两层，相互正交 S1：8×6 bar2 ，2×7mm S2：2×2 bar2 ，2×5mm S3：3×3 bar2 ，2×7mm 共24根闪烁体，48个PMT
功能 离线分析，鉴别good trigger和false trigger（~75%）
good trigger
fauls trigger
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PAMELA
整体技术指标
ห้องสมุดไป่ตู้测孔径张角：19°×16°
总重：470Kg
功率：360W
尺寸：L91cm×W89cm×H123cm
磁谱仪位置精度：4μm（有偏转）和15μm（无偏转）
2 与普通粒子相比质量较大。
轴子（axion），MACHOs
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目录
暗物质 探测方法 暗物质空间探测 暗物质探测在中国
总结
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直接探测方法
直接探测前提
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WIMPs穿过地球。
WIMPs源
宇宙
实验室：加速器，如LHC 忽略与普通物质作用 根据碰撞损失的能量和动量来推断它是否产生
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间接探测方法
间接探测实验
1.空间：探测宇宙线，主要是γ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，寻找湮灭痕迹
PAMELA, ATIC, Fermi, AMS, …… 2.地表或地下：探测中微子
Super-Kamiokande, SNO+, ……
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目录
暗物质 探测方法 暗物质空间探测 暗物质探测在中国
电磁簇射
强子簇射
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PAMELA
簇射尾部接收闪烁体
构成 1片正方形闪烁体，厚1cm 6个PMT
功能 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 为中子探测器提供高能触发
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PAMELA
中子探测器
构成 2×18个3He正比计数器 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
3 数据来源：NASA/WAMP,2008
WIMPs
WIMPs 大质量相互弱作用粒子 Weakly Interacting Massive Particles 一种超对称中轻微子 supersymmetric neutralino 最有可能的冷暗物质 热暗物质
1 粒子只通过弱核力和引力产生相互作用， 或者粒子的相互作用截面小于弱核力作用截面；
总结
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PAMELA
Wizard 合作组（俄罗斯，意大利，德国，瑞典） 主要任务： 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
2. 搜寻反原子核（特别是反氦核） 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
设计指标（暗物质探测） 正电子：50～270MeV 反质子：80～90MeV
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PAMELA
取样成像电磁量能器
构成 44个单面硅微条探测器平面(灵敏层），厚380μm 3×3个单元/面，32个读出微条/单元，相邻面微条正交 22层钨簇射介质，厚0.26cm
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PAMELA
取样成像电磁量能器
功能 探测二维位置，测量能量损失=>区分电磁簇射和强子簇射 =>区分正电子与质子,反质子与电子 区分度90%以上