用于空间暗物质探测的BGO量能器模拟研究.docxVIP

宇宙线测试平台的搭建作者：楼吉洁指导老师：汪晓莲摘要天文观测表明，宇宙的成份中绝大部分是暗物质和暗能量，人们目前所了解的可见物质只占很少一部分。虽然通过天文观测，暗物质与暗能量已经得到人们的广泛认可，但是暗物质与暗能量的本质却不为人所知。由于近年来，国际上对暗物质的探测越来越热，目前国内也在积极推动暗物质探测。中国空间暗物质探测工程DAMPLE打算通过测量电子/正电子谱的方法来寻找暗物质的存在证据。此次参与的工作也就是1/4样机的搭建与测试。本文主要包括BGO量能器的搭建，物理模型，宇宙线测试结果和展望四个部分。关键词:暗物质，BGO量能器，宇宙线测试第一章绪论现代宇宙的成份如图 1.1 所示。发光的普通物质只占了整个宇宙质量的0.4%。不可见的普通物质占 3.7%，其中星系际气体占 3.6%，中微子占 0.1%，超重黑洞占 0.04%。而暗物质占 23%，暗能量占 73%。[1]2006 年，美国自然科学基金委（NSF），NASA（美国宇航局），DOE（美国能源部）联合成立“暗物质研究评估小组”和“暗能量研究评估小组”，并在2007 年的报告中指出“解决暗物质之谜的重要性尤为突出”。2008 年，欧洲推出了粒子天文学路线图，列举了 7 个重要领域，暗能量、暗物质分别列在第一和第二位。暗物质和暗能量是如此的让人着迷，他们已经被认为是笼罩在 21 世纪现在物理学的“两朵乌云”。他们的发现将预示又一场物理学革命的到来。天文学家以及粒子物理学家都在努力的探测暗物质，为早日揭示暗物质和暗能量的秘密不断的做出贡献。而且近年来对暗物质的探测渐渐由天文观测转移到粒子性质的探测上来。1.1 天文观测1.1.1 旋转曲线早在 1937 年，F.Zwicky指出 [2] ，大的星系团中的星系速度太大，以至无法通过引力束缚住他们，除非他们的质量超过按星系团总质量估算值的 100 倍以上才可以。然而没有引起人们的足够重视。上世纪 70 年代，美国科学家Vera Rubin通过对旋涡星系的观测结果，使得“暗物质”这个概念被科学界广泛接受 [3] 。如图一所示。根据开普勒定律，星系引力质量中心区以外的星体的轨道速度V(r)∝(1/r) 1/2，距离星系中心（引力质量分布中心）很远的地方，轨道速度会随着距离的增加而下降，如图（a）所示，是太阳系行星的旋转曲线；（b）是旋涡星系M33 的旋转曲线。红色实线是根据可见物质的质量预测的值，在星系的引力质量区内的星体的轨道速度随星系中心距离先是增加，处于星系质量中心区边界的星体的轨道速度达到极大值，比它们更远离中心的星体轨道速度开始随离中心的距离r增大而变小。观测的（蓝色的+）结果发现,在可见物质分布的引力质量区的边界外的星体的速度不下降。观测结果表明，在可见引力物质的边界外一定充满一种具有引力质量的“暗物质”，普通的电磁观测手段“看不见”它们。图一（a）太阳系的旋转曲线和（b）旋涡星系 M33 的旋转曲线1.1.2 引力透镜当星体发射的光经过引力场时会发生弯曲，光线的弯曲程度取决于引力场的强度。当观测者跟发光星体之间有一个大的质量的天体，则在发光星体两侧会形成两个一模一样的像，就好像是一个透镜放在观测者和发光星体之间一样，这种现象称为引力透镜。“哈勃”望远镜利用引力透镜观测到的暗物质在Abell 1689 星系团的分布，如图二蓝色区域所示。构成“引力透镜”的看不见的强引力场星体是由暗物质组成的天体。图二.暗物质的分布（蓝色区域）另外还有宇宙微波背景辐射，Lyman-α线丛等的研究都进一步验证了暗物质的存在。天文观测使得暗物质已经被人们普遍接受，并且对暗物质的研究近年来方兴未艾。1.2 粒子物理观测天文观测的结果表明，暗物质的存在已成为事实。人们认为暗物质质量可能占整个宇宙质量的 85%，并且对宇宙中暗物质的分布已经有个比较清楚的认识，其中太阳系附近的暗物质局域密度约为 0.4 GeV/cm 3。但是暗物质本身是什么却不为人知。他与目前人们所认知的“标准模型”的粒子完全不同。他有着自己本身的特性。目前人们认为暗物质是在宇宙演化早期残留下的标准模型以外的粒子，其特性有：1. 参与引力相互作用，不参与电磁相互作用，不参与强相互作用2. 和宇宙的年龄相比，暗物质粒子是稳定的长寿命的3. 主要是冷的（非相对论性质的）根据这些特性，人们提出暗物质粒子的主要候选者可能有标准模型以外的Neutralino、Axion等（因为他们被假定为只参加“弱”作用的重的粒子，统称为WIMP-Weakly Interacting Massive Particles）。但是如何探测暗物质粒子则是摆在人们面前的难题。目前探测暗物质粒子的手段有直接测量和间接测量两种。直接测量又有两种测量方法，一个是利用暗物质粒子与