暗物质及其探测课件.ppt

暗物质 主要内容 暗物质发现历程 暗物质直接探测 暗物质间接探测 总结 2002年Discover杂志列出了当今物理界最重要的11个物理难题 “What is Dark matter?” 人类借助于各种波段的电磁波来观察和认识宇宙 . 然而 , 有一些物质既不发射任何波段的电磁波 , 也不与电磁波发生相互作用 . 目前只能通过引力产生的效应得知，这些物质就是暗物质。 能观测到的物质 4% 暗物质 23% 暗能量 73% 暗物质到底是什么？ 暗物质的探测方法 直接探测法 间接探测法 粒子高能碰撞法 对于WIMP粒子的探测 在目前的实验精度下，我们只可能探测到弱作用重离子(Weakly Interactiong Massive Particle,WIMP)的信号，而更弱的信号，如轴子、超对称引力子是无法用这种方法探测的。 WIMP的性质猜想 来源于宇宙大爆炸的基本粒子 弱作用力，大质量的中性粒子 相对于地球的速度不大 中性不带电，与普通物质最多有弱相互作用 与其反粒子碰撞，发生湮灭，形成普通粒子 暗物质的直接探测 基本原理：当WIMP入射到探测器介质中时,?与其原子核做弹性碰撞。WIMP被散射,?介质中原子核被反冲并获得一些能量,?离开原来的位置成为带电的离子。 探测器的要求 探测器介质既是WIMP的靶，同时又是高探测效率的灵敏探测器； 必须有很低的探测器的能量的下限（10keV）； 因为事例率很低，所以探测器的质量要尽可能大； 探测器自身的辐射本底要小，而且要具有甄别本底的能力；实验探测要在宇宙线以及辐射本底极少的环境中进行。 各种直接探测技术 高纯锗探测器 同时测量电离和声子的组合型探测器 气液二相探测器 闪烁晶体探测器 高纯锗探测器 高纯锗 探测器是一种纯度99.999999999%以上的半导体探测器。 优点：密度大，自身放射性本底低，能量分辨率好，可以探测的能量阈值低，事例率高。 能够同时测量电离和声子的组合型探测器 组成：Al声子收集器 Ge/Si半导体探测器 W超导探测器 优点：本底甄别能力好 缺点：阈值高，技术复杂 气液二相探测器 特点：用液态的Xe、Ar等惰性元素同时测量电离和闪烁光。 优点：介质质量高，提高事例率 缺点：需要不断纯化介质材料 闪烁晶体探测器 优点：密度大，体积小，结构简单 有脉冲情况的甄别能力 暗物质的间接探测 暗物质粒子与其反粒子碰撞发生湮灭，形成普通的粒子，如电子、正电子、γ射线。用公式表示为 χ+χ→e +e‘ χ+χ→γ+γ …… χ代表WIMP χ代表WIMP的反粒子 暗物质的间接探测就是就是探测WIMP湮灭后的可探测的粒子 正电子超出 PAMELA卫星试验、ATIC气球实验、Fermi卫星实验等在宇宙线探测中发现正电子的比例在高能处远远高于宇宙线理论所预言的结果。 正电子超出有两种解释 第一种解释是基于天体物理的起源，认为是太阳系附近的超新星遗迹、脉冲星等贡献了多余的正电子（或是宇宙线传播过程的一些效应所造成）。 第二种解释则是认为暗物质的湮灭或衰变导致的正电子超出 χ+χ→e +e‘ 用暗物质来解释正电子超出需要特殊的暗物质模型 第一，PAMEL实验只观测到了正电子超出，而反质子没超出，这要求暗物质主要和轻子相互作用，而和夸克的作用不能太强； 第二，暗物质的湮灭速度要非常大 γ射线的结果 暗物质湮灭到γ射线有两种不同的谱形 一种是暗物质湮灭到其他的末态时，这些态在衰变过程中会发射γ射线，这样的γ射线流强较大，容易探测，但是遗憾的是这样的能谱没有独特的特征，因而难以和宇宙中的γ射线区分 另一种是暗物质直接湮灭到一对γ射线光子，这样的γ射线具有确定的能量，这种谱形称为线性谱。 χ+χ→γ+γ 这种谱形是暗物质湮灭独有的的一种信号，如果能够探测到这样的线性γ射线信号，那么就一定是暗物质的信号。但是由于这种信号流强非常低，探测非常困难，目前还没有发现线性γ谱存在的迹象 粒子高能碰撞法 这种方法是在加速器上将暗物质粒子“创造”出来,并研究其物理特性。