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正世界最大暗物质实验首个结果公布7月21日晚,中国正式公布了PandaX二期500公斤级液氙暗物质探测器运行的第一个物理结果,在3.3万公斤·天的曝光量下,未发现暗物质粒子踪迹,对可能的暗物质候选对象得出了最新的限制。PandaX实验用氙原子作为探测靶子,采取"守株待兔"的方式,探测弥散在地球周围的成千上万亿的暗物质粒子可能碰撞到氙原子上而发生的微弱信号。PandaX所用的     

暗物质探测器的液氙低温精馏系统研制

针对暗物质探测器中降低介质液氙中放射性氪-85含量可获得高纯度氙的问题,通过McCabe-Thiele(M T)法及质量、能量守恒,设计并研制出一种将氪从氙中提取出且可获得高纯度氙气的高效低温精馏系统.该精馏系统中的主要结构精馏塔采用填料塔形式,填料为高效新型规整填料PACK-13C,塔高4 m,直径80 mm,其中精馏段1.9 m,提馏段2.1 m.该精馏系统可以在回收率为99%的情况下,以5 kg/h（15SLPM）的速率将氙中氪的含量从10-9降低到10-12,这对要求高精度、高灵敏度、低本底的大型暗物质探测器的研制至关重要.     

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。     

载钆液闪探测器的稳定性测试与探测效率刻度

中国暗物质实验(China dark matter experiment,CDEX)合作组设计并研制了大体积载钆液体闪烁体快中子探测器,用于中国锦屏地下实验室(China JinPing underground laboratory,CJPL)的快中子本底测量。该探测器基于反冲质子信号与钆俘获热中子产生的γ信号之间的符合测量方法,有效地抑制环境γ本底,提高对快中子的探测灵敏度。该文对该探测器进行了稳定性测试和单能中子探测效率刻度,实验结果表明:该探测器稳定可靠,且具有良好的中子、γ信号甄别能力,以及较高的探测效率,适合对地下实验室极低通量快中子进行测量。     

超高纯氙去除氪低温精馏塔HYSYS模拟优化

为满足大型暗物质探测器PandaX-4T低本底及高灵敏度的要求,探测介质氙(Xe)中氪(Kr)含量要求为n_(Kr)/n_(Xe)≤1×10~(-13)(n为物质的量).本文以超高纯氙去除氪低温精馏塔为例,首先简单介绍精馏塔及其结构设计.其次,对该塔的精馏塔参数进行HYSYS模拟及优化,得出现有运行工况下精馏塔内压力、温度以及氪浓度的分布,并研究了进料位置、回流比、进料流量、再沸器加热量、废品氙流量及进料压力等操作因素对精馏纯度的影响.提出优化提纯效果的精馏操作参数,即塔压为221 kPa、回流比为145时,原料氙中氪含量可从5×10~(-7)提纯到4.1×10~(-14),这对超高纯氙去除氪低温精馏的产品纯度进一步提高有重要指导意义.     

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.     

高纯锗探测器在粒子物理与天体物理中的应用

本文介绍了近年来高纯锗探测器技术的发展和新型高纯锗探测器在粒子物理、天体物理领域的应用,特别是高纯锗探测器在暗物质直接探测、双β衰变实验等极低本底的重要基础前沿研究方面的应用.中国已经建成了世界垂直岩石覆盖最深的地下实验室——中国锦屏地下实验室.中国科学家组成的CDEX研究团队拟利用吨量级的点接触电极高纯锗探测器阵列系统,在中国锦屏地下实验室开展暗物质直接实验研究,本文也介绍了这一实验计划.     

基于光声原理的火灾复合气体探测技术

监测燃烧过程中产生的气体（主要是CO）来探测火灾逐渐成为火灾探测中的一个重要领域。各种现有的气体传感器灵敏度比较低，不利于火灾的早期报警,利用基于光声原理的复合气体探测技术来进行火灾探测，能极大地提高探测器的灵敏度。将CO和CO2的检测结合起来，可降低探测器的误报率，有利于提高早期报警。     

太赫兹单光子探测器

太赫兹波探测技术在天文、国防、安检以及生物等领域发挥着越来越重要的作用.随着技术的发展,太赫兹探测器的灵敏度在不断提高,目前已经发展到单光子探测水平.在太赫兹频段,由于光子能量低,传输损耗较大,太赫兹单光子探测器的研制开发面临极大的技术挑战.本文首先介绍了太赫兹单光子探测器的基本原理、主要指标和测试系统并提出了实现太赫兹单光子探测的基本要求.然后,介绍了几种常见的太赫兹单光子探测器,包括半导体量子点探测器、量子阱探测器以及超导量子电容探测器,并对这些器件的发展历史、工作原理和性能指标进行了概述.半导体量子点探测器以及量子阱探测器可以实现10-21W/Hz1/2量级的噪声等效功率,并且具有很大的电流响应以及动态范围,但是其量子效率较低.超导量子电容探测器目前已实现1.5 THz的单光子探测,其噪声等效功率优于10~(-20)W/Hz~(1/2)并且探测效率可达90%.此外,纳米测热辐射计等太赫兹探测器也展现了太赫兹单光子探测的前景,本文对其工作原理和发展现状进行了介绍.结合目前国际上的重大研究项目以及报道的应用实例分析了太赫兹单光子探测器在太赫兹成像、天文观测、量子信息等领域的应用前景,阐述了太赫兹单光子探测器在这些应用中的优势.最后,对太赫兹单光子探测器的性能指标进行了总结并对未来的发展趋势进行了展望.     

激光干涉仪引力波探测器中的光学技术进展

目前世界上各大引力实验室几乎都使用激光干涉仪做引力波探测器.该探测器的主要形式是带有功率重循环和信号重循环的Fabry-Perot(F-P)迈克尔逊干涉仪.本文简要回顾了激光干涉仪引力波探测器主要技术的发展历史,重点分析了用干涉仪探测引力波的原理、方法和关键技术.特别是围绕探测灵敏度的提高,分别讲述了Schnupp不对称、Fabry-Perot臂腔、功率循环和信号循环对探测灵敏度的贡献.最后,以激光干涉仪引力波观测(Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory,LIGO)的实验装置为例,介绍了干涉仪复杂的锁定方法和精密光学技术的发展现状.     

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。     

“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。     

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。     

暗物质间接探测和对撞机探测实验现状

综述了暗物质间接探测和对撞机探测实验的现状和最新进展,并对现有主要实验的最新结果和限制进行了归纳总结。自2008年以来,宇宙线正负电子谱的反常超出被多个实验组相继报道出来。尽管存在一些争议,暗物质效应是这些超出现象的一种自然解释。另一方面,反质子-质子比和γ射线观测结果均未呈现反常信号,这为暗物质的性质给出很强的限制。此外,也可以通过对撞机探测实验上的零信号来限制暗物质性质。在不久的将来,AMS-02和LHC的新数据可能会为暗物质研究提供新的启示。     

(2+1)-维强排斥玻色-爱因斯坦凝聚体中的解析解

运用经典李群方法,以"硬核"玻色子为模型,研究了原子间为强排斥作用的(2+1)维玻色-爱因斯坦凝聚体中的物质波.在特殊情况下,得到了物质波的一些解析解,包括暗孤子解、亮孤子解及周期解.分析了此强关联体系的物理参量,包括最近邻格点间的跃迁强度、最近邻格点间原子的相互作用,对物质波的波速及振幅的影响.     

Detection of weak gravitational lensing distortions of distant galaxies by cosmic dark matter at large scales

Most of the matter in the Universe is not luminous, and can be observed only through its gravitational influence on the appearance of luminous matter. Weak gravitational lensing is a technique that uses the distortions of the images of distant galaxies as a tracer of dark matter: such distortions are induced as the light passes through large-scale distributions of dark matter in the foreground. The patterns of the induced distortions reflect the density of mass along the line of sight and its distribution, and the resulting 'cosmic shear' can be used to distinguish between alternative cosmologies. But previous attempts to measure this effect have been inconclusive. Here we report the detection of cosmic shear on angular scales of up to half a degree using 145,000 galaxies and along three separate lines of sight. We find that the dark matter is distributed in a manner consistent with either an open universe, or a flat universe that is dominated by a cosmological constant. Our results are inconsistent with the standard cold-dark-matter model.     

暗物质间接探测现状

本文简介了暗物质间接探测的最新进展.主要介绍近年来PAMELA（Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics）卫星所探测到的宇宙线正电子超出的问题,及相关的理论解释.本文还介绍了PAMELA对于宇宙线反质子的测量结果,ATIC和Fermi卫星对于正负电子总能谱的测量结果等.另一个重要的结果来自于Fermi和地面实验对于伽马射线的测量结果,这些结果对暗物质性质给出较强的限制.     

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。