“悟空”玉宇探测暗物质——暗物质粒子探测卫星简介

 暗物质是当今科学研究的前沿热点研究领域。暗物质探测可以分为直接探测、间接探测和对撞机探测3类。其中间接探测是在宇宙线中寻找暗物质湮灭或者衰变产生的信号。2015年12月27号中国发射了第1颗用于暗物质粒子探测的空间科学卫星(DAMPE),它具有能量分辨率高、测量能量范围大和本底抑制能力强等优势,将中国的暗物质探测提升至新的水平。本文介绍暗物质粒子探测卫星的结构、性能优势和科学目标。     

寻找宇宙中的暗物质

宇宙中存在暗物质已经得到大量天文观测的证实,但关于暗物质粒子的本质我们仍旧一无所知。为了理解暗物质的性质,许多暗物质探测实验正在展开。直接探测实验探测的是暗物质粒子与探测器物质碰撞所留下的信号,而间接探测实验则寻找暗物质湮灭的产物,如高能伽马射线、高能中微子、正电子和反质子等。理解暗物质所产生的这些信号需要我们了解暗物质的微观粒子的性质,同时也需要了解暗物质在星系或星系团中的分布形式等宏观性质。随着更大规模、更高灵敏度的实验不断投入运行,暗物质之谜有可能在不久的将来得以破解。     

中微子超光速与宇宙加速膨胀

由中微子超光速推导出中微子的质量是虚数,也就是说中微子是具有虚质量的微观粒子.本文认为任何物质的质量、动量和能量都应该用复数来描述.随后提出了两个假设:1)中微子(或其它虚质量粒子)是组成暗能量的基本粒子;2)对普通物质适用的一切物理定律对暗物质和暗能量同样适用.基于这两个假设,根据万有引力定律导出了暗能量粒子之间的相互作用是万有斥力,这是导致宇宙加速膨胀的根本原因.     

暗物质的天文学探测

 暗物质和暗能量是宇宙主要的组成部分,被认为是"笼罩在21世纪物理学上的两朵乌云",是基础物理与宇宙学研究最前沿的方向之一。对暗物质突破性的研究进展将极大促进人们对基本自然规律以及宇宙演化的理解。国际上对暗物质的研究极为重视,美国和欧洲都为之进行了详细周密的规划,开展了一系列的相关项目规划。中国也将暗物质的研究纳入了中长期规划,在过去的几年中国在暗物质探测方面实现了长足进步,在四川锦屏山地下实验室开展多项暗物质直接探测试验,暗物质粒子卫星作为中国空间科学先导专项的首发星,也是中国发射的第1颗天文卫星,2015年12月成功发射。通过观测暗物质粒子湮灭后的粒子产物,有可能在间接探测方向实现对暗物质研究的革命性突破。本文简介暗物质概念提出的历史与暗物质探测的天文学观测手段。     

关于地球中反中微子信号的研究

介绍了地球中反中微子的产生方式,并对反中微子的探测方式进行了说明.通过对能量分布函数的假设,研究了214Bi衰变产生反中微子的特有信号,并描述了偏移参数t对信号的影响.     

基于低温量热器的无中微子双贝塔衰变探测实验国内外研究进展

无中微子双贝塔衰变过程能够揭示中微子的粒子属性，打破标准模型的轻子数守恒，并且是目前获得中微子有效质量的重要途径. 本文通过对国内外无中微子双贝塔衰变探测实验的最新研究进展进行详细调研，重点对基于低温量热器的无中微子双贝塔衰变实验设计方案进行深入研究，并以意大利格兰萨索地下实验室（cryogenic underground observatory for rare events，CUORE）实验方案为例，详细地阐述了低温量热器技术的系统组成、工作原理以及现阶段所面临的关键难点，将要解决的问题主要包括极低温环境的搭建、核素种类的选取与探测塔的搭建、本底的甄别和微弱信号的前置放大.      

大亚湾与江门中微子实验

中微子物理是粒子物理中最活跃的分支之一,存在众多未解之谜,可能成为超出标准模型的新物理的突破口.本文总结了中微子物理的现状和主要的科学问题,着重介绍了我国正在进行的大亚湾中微子实验和建造中的江门中微子实验.通过研究反应堆中微子,2012年大亚湾实验发现新的中微子振荡,测得了中微子混合角13.本文介绍了大亚湾实验的物理背景和项目背景,简述了实验方法和设计思想,并描述了探测器设计和建造.许多新的想法和技术创新在探测器设计与建造中采用,使探测器相关的相对误差仅为0.2%.在未来几十年内,大亚湾将保持对这一基本参数的最高测量精度.江门中微子实验2008年提出建议,2013年正式启动.通过在53 km处探测反应堆中微子振荡,它将能确定中微子质量顺序,并精确测量3个中微子混合参数.采用一个设计能量精度为3%的2×104 t液体闪烁体探测器,江门实验在研究超新星中微子、太阳中微子、地球中微子、大气中微子、以及奇异现象寻找方面也极具吸引力.它将对多个物理目标进行国际领先水平的研究.文中我们介绍了实验设计和研发的进展.除了大亚湾和江门实验,我们也参与了无中微子双贝塔衰变实验EXO,设计了一个新式的加速器中微子束流线,进一步扩展了中微子研究.     

基于地下实验室的暗物质直接探测实验

 暗物质研究是当前基础物理研究的前沿热点课题之一,对天体物理学、宇宙学和粒子物理学等学科的发展具有十分重要的意义。暗物质的直接探测实验是进行暗物质研究的手段之一,也被认为是最为重要的一种方法。本文介绍:暗物质的不同探测方法、暗物质直接探测实验的原理;国际上主要的地下实验室、针对轻质量和重质量暗物质进行直接探测的典型实验及目前取得的进展;下一代实验将面临的挑战和机遇。     

2017年粒子物理学热点回眸

 2017年高能物理领域的探究主要围绕标准模型的高精度检验、新物理的探寻这2个方面前进。本文盘点2017年在标准模型的检验与新粒子直接探测、重味物理与CP破坏、量子色动力学与强子物理、中微子物理、暗物质探测5个方面取得的进展,并对高能物理的未来发展作一展望。     

从大亚湾到江门中微子实验

中微子振荡现象是当前粒子物理领域的研究热点.中微子振荡的发现确认了中微子具有微小的质量,这也成为探索超出标准模型新物理的重要途径.大亚湾反应堆中微子实验是研究短基线反应堆中微子振荡的地下实验,其利用远近点全同探测器对反应堆中微子事例率及能谱进行相对测量,以降低探测器关联误差及反应堆中微子流强预期误差.大亚湾反应堆中微子实验在2018年使用1958天的数据公布了中微子振荡参数sin~22θ_(13)与|?m_(32)~2|的最新结果,其中sin~22θ_(13)参数为目前最高的测量精度,达到了3.4%,|?m_(32)~2|的精度为2.8%,其与MINOS, NoνA及T2K等基于加速器中微子的实验测量精度相当.θ_(13)的精确测量将有利于下一代中微子实验确定中微子质量顺序以及测量CP破坏相角等未知的中微子振荡参数,其中包括了我国正在建设的江门中微子实验.它的主要科学目标是通过在中等基线下精确测量反应堆中微子能谱来确定中微子质量顺序.探测器可以实现3%的超高能量分辨率和小于1%的能标误差,从而在6年的取数时间内以3–4σ的置信度测量中微子质量顺序.此外江门中微子实验也将精确测量中微子振荡参数,同时将在超新星中微子、太阳中微子、大气中微子、地球中微子、核子衰变等物理研究领域做出重要的贡献.     

国内期刊亮点

正暗物质粒子探测卫星中子探测器的GEANT4模拟近几十年暗物质研究已逐渐成为天文学研究的重要领域之一,相关理论研究和试验项目日新月异。由于暗物质粒子探测卫星的探测对象涉及高能电子,为了减少其他带电粒子(主要是质子)被误认为是电子的事件率,必须采用适当的方法区分质子和电子。中国科学院紫金山天文台、中国科学院暗物质与空间天文重点实验室与中国科学院大学的研究人员合作研究,实验表明高能质子在锗酸铋(BGO)量能器内     

Q泡暗物质的能量稳定性与激发态

暗物质的理论研究和实验探测是天体粒子物理学中的重要课题,这种物质可能是最轻的超对称粒子构成,并以玻色球和泡的方式存在.在复标量场模型中构造了带U(1)荷的Q泡模型,通过引入两种跑动势的方法计算了Q泡暗物质的特征半径和能量稳定性质,结果得到了Q泡在s基态和p、d、f激发态的U(1)荷和能量,计算了不同能级的能量差,分析了能级的简并性质.这一研究的物理意义在于Q泡暗物质可以发射不同能量的粒子,并为暗物质的实验探测提供一定的理论预测.     

科学家称可能发现暗物质信号

<正>果真有证据说明宇宙中存在暗物质吗?欧洲科学家在研究了大量的X射线数据后相信,他们可能发现了暗物质粒子的蛛丝马迹。相关研究将发表在《物理评论快报》上。瑞士洛桑联邦理工学院粒子物理和宇宙学系的奥列格·瑞查尔斯基和阿列克谢·波雅尔斯基带领的科研团队称,他们通过分析英仙座星系团和仙女座星系发出的X射线,可能发现了被科学家苦苦追寻的暗物质的信号。该团队利用欧洲航天局的X射线多面镜(XMM)牛顿天文望远镜收集了成千上万     

2021年粒子物理学热点回眸

粒子物理学是研究微观物质基本组成及其相互作用的前沿基础学科.聚焦粒子物理领域的几大研究热点方向——暗物质物理、中微子及粒子天体物理、缪子反常磁矩、重味物理与强子物理、希格斯物理与电弱物理及其他超标准模型新物理现象寻找,回顾了2021年粒子物理领域所取得的重要进展,并对相关方向的未来研究前景及未来大科学工程计划作了初步的...     

中微子实验:追寻粒子世界的"隐世高手"

中微子是宇宙中最古老、数量最多的物质粒子,从宇宙诞生的大爆炸起就充斥在整个宇宙空间. 中微子非常重要,它拯救了能量守恒定律,也向现代粒子物理的"标准模型"提出了挑战.中微子不仅数量很多,而且它有无质量对粒子物理和宇宙学有巨大的影响.     

暗物质粒子探测卫星及邻近的电子宇宙射线源

在中国科学院空间科学战略性先导科技专项的支持下,紫金山天文台等单位正在建造"暗物质粒子探测卫星"(DAMPE),预期将于2015年底发射升空.暗物质粒子探测卫星是一个高能伽玛射线、宇宙线探测器,有望在1-10 TeV的电子宇宙射线能谱测量以及GeV-TeV伽玛射线线谱搜寻方面取得重要进展.在本文中,我们扼要介绍暗物质粒子探测卫星探测器的主要组成及功能,并介绍紫金山天文台的科学组在邻近电子宇宙射线源方面的研究进展.     

DAMPE首个宇宙线电子观测结果的科学意义

 1933年F.Zwicky利用光谱红移测量了后发座星系团中各个星系相对于星系团的运动速度。发现它们的速度弥散度太高,对应的质光比在100以上。因此星系团中应该存在大量的不可见物质,这开启了现代暗物质研究。之后陆续有支持暗物质存在的研究结果出现,1970年V.C.Rubin和W.K.Ford对仙女座大星云中星体旋转速度开展了高精度的光谱测量,探测到了远离星系核区域的外围星体绕星系旋转速度和距离的关系。观测结果表明在相当大的范围内星系外围的星体的速度是恒定的。这意味着或者牛顿引力定律是不正确的,或者星系中有大量的不可见物质并不分布在星系核心区,并且其质量远大于发光星体的质量总和。由此开始,星系及星系团中暗物质存在这一假说逐渐被天文学界广泛接受。     

在电弱能标范围内右手中微子质量模型的研究

粒子物理的标准模型并不是完美的，对大气中微子流和太阳中微子流的测量提供了中微子振荡的证据，证明中微子非简并的质量和混合．研究了Hung模型，并计算了muon衰变的振幅．     

浅谈暗物质的直接探测

讨论了同时利用中国的暗物质直接探测实验CDEX和PandaX靶核的反冲能量数据及相关的线上数据分析系统AMIDAS重建暗物质粒子的质量和一维速度分布函数的可行性．结果表明：结合CDEX和Pan—daX未来的实验数据，对于较轻的暗物质粒子（质量约小于175OeV），AMIDAS可以很好地重建其质量．     

暗物质的自然现象和成因机理探析

暗物质粒子产生于宇宙大爆炸,它是由一个兆子和两个次能子合成的独立兆子系。由这种兆子系在本体贝粒子流循环输入或输出的增益过程中构成的五维弥散态络合物,就是暗物质又称暗物质云。暗物质云具有质量、引力,但与磁和光均不发生反应。它只能存在于物质态的负引力空间(惰性空间,第五维空间),并与所在宇宙单元区按相同轨迹运动。在单元区中,显物质和暗物质所占的比例大体相同,两者之间通过能量辐射、爆炸的形式实现质量互为转换。地球与具有阻光特性的暗物质云团在相互运动中相遇,应是冰河期的成因之一,这会给地球生态带来毁灭性的破坏。暗物质中蕴含着巨大的能量。对暗物质这一自然存在如何避害趋利是科技界应该考虑的问题。