项目名称：暗物质暗能量的理论研究和实验预研首席科学家：吴岳良中国科学院理论物理研究所起止年限：2010年1月-2014年8月依托部门：中国科学院一、研究内容拟解决的关键科学问题和主要研究内容包括：本项目围绕暗物质和暗能量本质开展理论研究和实验探测的可行性分析,充分利用已有的研究基础，从以下五个方面开展深入系统的研究：1、暗物质的理论研究及相关新物理唯象研究各种新物理模型，包括最小超对称模型及其变种和推广模型，额外维度模型，Little Higgs模型，各种类型的Hidden Sector模型，标准模型的最小推广（多个Higgs模型）中WIMP暗物质的湮灭及衰变过程的性质。

在满足暗物质剩余丰度的条件下研究其湮灭或衰变产物，如正电子，反质子，高能中微子，光子的信号特点，为空间间接探测实验提供理论依据。

同时重点关注未来实验可能观测到的高能中微子及光子信号。

在对现有实验结果的研究中,由于PAMELA没有观测到反质子的超出，这表明暗物质的主要湮灭道为带电轻子而非规范粒子或夸克，这就给一些暗物质模型如最小超对称模型带来了一定的困难。

对此，需要对模型的参数空间进行更详细的研究。

同时，也需进一步研究构造以轻子为主要湮灭道的理论模型。

另一方面，为了解释PAMELA和ATIC上观测到的正负电子超出，暗物质在地球附近的密度分布要比通常由热力学残余丰度给出的大出2-3个数量级。

如何构造模型能同时满足这两方面的要求是研究的重点之一，将首先研究已知的可能解释实验现象的一些机制，如量子索末菲效应和共振态增强效应等。

寻找和发展更有效探测暗物质的方法。

通过对自旋相关与自旋无关的散射截面确定暗物质的基本属性。

研究DAMA实验的正结果和其它实验如CDMS和Xenon 给出的零结果是否一致及其它们的物理原因。

鉴于DAMA的实验结果，探寻可能存在的统一解释目前所有直接探测实验结果的暗物质－核子相互作用机制。

研究非弹性散射和测量仪器靶物质的相关性等。

综合正负电子对撞机LEP上的Z产生和衰变，希格斯粒子质量限制，额外规范粒子的研究，及低能实验如μ子反常磁矩，b→sγ，B→μ+μ-和味道改变中s性流FCNC和其它电弱精确检验过程，对感兴趣的物理模型的参数空间作系统分析。

给出参数空间的允许范围，提高理论的可预言性。

即将投入运行的LHC将为研究新物理模型中暗物质与新粒子的相互作用提供极好的机会。

LHC上neutralino的产生及其级联衰变过程已经有大量的工作。

将运用类似的方法研究其它类型的暗物质与新粒子在LHC上的产生信号。

分析相应的标准模型背景，发展有效探寻暗物质的新方法。

在分析各种实验探测的基础上，基于对称性等原理和量子场论，建立超越标准模型的暗物质理论，给实验测量提供理论依据，并接受实验的检验。

2、暗物质的空间探测实验预研本项目同时观测高能电子及伽玛射线，不仅对探测暗物质，同时对解决宇宙线起源和加速机制等科学问题也将很有用处。

高能伽玛射线主要产生于高能电子的逆康普顿散射，高能伽玛射线的观测可以研究近地所有可能的高能电子源。

通过高能量分辨观测高于1TeV的电子能谱结构，研究当地电子与近地源的关系，从而判断宇宙线的起源，加速机制。

对本课题来说，要解决的一个关键问题是高能电子及伽玛射线的空间观测技术。

由于高能电子与大气的相互作用，地面无法观测，必须要到空间才能进行观测。

空间高能电子及伽玛射线观测中一个最关键的问题是本底。

如果不采用磁场，或磁场强度不够的话，高能电子与高能质子很难区分。

根据目前的观测数据，高能质子流量与电子流量相差数百倍到数千倍，如何在大量的质子本底中观测到电子及伽玛射线是本课题要解决的一个主要问题。

主要研究内容包括高能电子及伽玛射线空间观测技术及卫星方案及原理样机研制。

通常高能电子及伽玛射线空间观测需要很大的卫星资源（重量、功耗），显然不适合我国的卫星观测。

所以观测方法的研究是一个重要内容，采用合适的观测方法可以节省仪器重量和功耗。

同时积极参与国际合作，对国外的数据进行分析和解释。

本项目有如下创新之处：（1）精确测量高能电子能谱（排除某些可能的模型）。

精确测量从低能（约5GeV）到高能（约10TeV）的电子能谱，这样的测量将最终精确地测量电子能谱的形状，尤其是能谱从尖锐处下降的形状，这一结果对判定电子来源至关重要，因为暗物质湮灭产生的下降很陡，而天体源产生的下降要缓慢得多。

（2）测量高能伽玛射线区分ATIC电子的来源.由于银河系对于伽玛射线信号银河系是透明的，探测伽玛射线则直接反应了其来源的信息。

这样，伽玛射线的测量就不像电子那样只能测量地球附近的流强，而可以测量来自任何地方的信号，这对于暗物质探测有着独特的优势。

所以通过观测伽玛射线寻找并研究暗物质粒子物理特性及空间分布。

（3）测量湮灭线作为明确的暗物质信号。

精确测量电子和伽马射线的能谱，其能量分辨率达到 1.5%，能量范围为5GeV-10TeV。

因此，除了精确测量电子的能谱外，对于伽马射线能谱的精确测量甚至更为重要。

尤其是，其可能探测到暗物质湮灭的线形能谱，这将是暗物质湮灭信号存在的决定性的证据。

本项目设计和研制的高能量分辨和高探测效率探测器，一方面，对检验现有的实验结果包括ATIC上观测到的“超”极为重要，另一方面，对探测和发现在能量范围5GeV-10TeV内是否存在暗物质和可能的新现象具有非常重要的科学意义和价值。

3、暗物质地下探测的前沿技术预研暗物质的探测是一个重要的物理课题，同时也是一个需要进行长期研究的课题。

暗物质直接探测的第一个目标是探测到可能是暗物质的信号，然后需要确定这个信号就是暗物质，或者它可能是来源于某一种暗物质。

这些更进一步的工作可能需要另外的探测器来完成。

本课题的主要研究内容将是综合分析世界上目前已有的各类探测器和探测方法，研制出下一步高灵敏度、低本底的深埋探测器，为实现直接探测暗物质和研究暗物质的性质做准备，设计出实验方案。

针对地下探测的前沿和有特色的技术预研包括：液氩探测器及探测技术的研究；过热液滴的气泡探测技术研究；CaF2（Eu）/BaF2复合晶体探测技术研究。

根据不同探测技术的特点，优化探测器的规模和经费，制作几公斤到百公斤以下的探测器模型进行不同类型的探测器研究，在经过不同模型探测器各方面性能的比较后，给出暗物质探测的下一步探测方案。

液氩是比液氙更早发展的一种探测器，只是用于暗物质的探测晚了一些时候，目前国际上液氩的探测器也处于发展很快的阶段，它在光收集效率方面和 本底的排除方面都优于液氙。

缺点是39Ar的本底高。

两方面综合起来，它仍然是未来很有潜力的探测技术发展方向。

我们对液氩探测器及关键探测技术的研究包括：（1）探索厚GEM和微针探测器在LAr中的工作可能；达到单电子测量，放大倍数大于106，时间分辨好于1ns。

LAr探测器的研究包括：（1）测量γ,n,α在LAr中的初级光子、次级光子和电子的数目比；（2）测量γ,n,α在LAr中的初级光子、次级光子的时间分布；（3）在LAr中γ,n,α作用的能量沉积（MC计算）与测量之比估算重粒子的等效沉积能量系数。

过热液滴技术用于暗物质的探测始于上世纪90年代末，目前正处于快速发展的阶段。

该探测技术的优点是对γ,e不灵敏,研制成本低。

目前国际上PICASSO、SIMPLE和FERMILAB 3个暗物质科研团队利用该技术来探测暗物质，中国原子能科学研究院目前拥有这种技术的自主知识产权。

本项目将综合分析世界上目前已有的过热液滴探测器，选择一种最行之有效的过热液滴，研制出高灵敏度、低本底的深地下过热液滴气泡探测器，其主要研究内容包括：（1）通过MC计算在过热液滴中γ,n,e,α作用的能量沉积与液滴半径、温度、压力的关系；得出探测器对电子和伽玛不灵敏条件；（2）利用现有的材料和仪器研制200mL探测器模型，进行γ,n,e,α在探测器中信号的前期研究，并为音频测量粒子的技术和读出系统研究提供探测器模型。

（3）选择合适的材料、容器，制作升级探测器单元，几十～百升量级探测器阵列。

CaF2（Eu）/BaF2复合晶体探测器：F-19具有最大的自旋相关作用截面，Ba-138和Ba-137具有最大的自旋无关作用截面，此探测器既探测DM自旋相关的事例又探测DM自旋无关的事例，并且其将观测DM 的所有信号：核反冲信号+ 电子反冲信号+ 电磁辐射信号（e-, r, x-ray），特别是从自旋相关角度来观测DM的年调制，既寻找WIMP存在的证据，又将检验DAMA的结果。

CaF2（Eu）/ BaF2在低能区的优势可互补，并将可达到低的探测阈能。

CaF2（Eu）/ BaF2能达到低放射性，将来都较易扩大到大规模，并且长期运行稳定。

研究内容拟采用具有低的放射性CaF2（Eu）/BaF2复合晶体。

搭建几十公斤CaF2（Eu）/BaF2复合晶体测量装置和读出系统，进行探测器和数据获取系统的调试，确定相应运行参数。

建立数据分析软硬件环境。

逐步在地下完成探测器阵列的建造和主、被动屏蔽的建造。

通过实验数据积累，获得包括：探测阈能，能量分辨率、DM探测灵敏度，本底水平，等各项参数。

为整个实验方案设计提供数据和依据。

在进行探测器预研的同时，（1）我们同时跟踪国际上最新的WIMP直接探测手段（比如CF4气体TPC），比较这些探测手段的可行性和灵敏度，研究其关键技术的难点和实现方法。

（2）参考国际上各种相关实验的近期结果给出的限制，与理论学家合作，进一步探讨云南站云雾室、KOLAR、LVD实验中奇异事例的存在性。

4、暗能量的理论研究和地面探测方案预研充分利用最新天文观测数据找出暗能量的状态参数；利用暗能量模型和修改的引力模型导出的物质微扰方面的动力学性质不同的特点，区分暗能量模型和修改的引力模型；从基本自洽引力理论出发，理解暗能量的起源及其本质，并探索新的暗能量探测的方法。

利用观测数据研究暗能量的性质。

利用最新的超新星数据（如SNAP数据），宇宙微波背景辐射数据（如Planck数据），大尺度巡天数据（如LAMOST,SDSS 等数据），BAO数据，弱引力透镜数据和强引力透镜数据等天文观测数据来给出包括暗能量的状态参数在内的暗能量的性质,这里要解决的关键问题是找出一种和模型无关的方法,如利用分段参数化方法等.因为在很小红移范围内,暗能量的状态参数总可以看成是一个常数,所以分段参数化方法是最好的和模型无关的分析方法.在对暗能量的状态参数进行分段参数化时,我们需要把红移分成很多份,这样我们就必然要引入很多参数.参数一多,通常的格点化方法所需要的时间便成几何倍数增加,所以我们需要用蒙特卡洛马尔可夫链统计方法来处理观测数据。

同时研究暗能量状态参数对参数化的相关性和特征性质，给出更合理和自洽的暗能量状态方程，建立暗能量唯象模型。