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空间观测暗物质粒子紫金山天文台高能所

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暗物质粒子产生电子和正电子1) χ+χe++ e-

1) χ+χ W++W - e++νe++e-+ ν e-

2):χ+χ Z0+Z 0 2e++2 e-

SUSYM. Kamionkowski and M. S. Turner, Phys. Rev. D43,1774,1991

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伽玛射线1) χ+χγ+γ 2):χ+χ Z0+γE γ=mx-Mz

2/4mx

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Kaluza-Klein (KK) particleJ. L. Feng, et al., Phys. Rev. Lett. Vol 91, 011302

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我们希望通过高分辨观测高能电子和伽玛射线来寻找暗物质粒子

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Proton Diffuse Gamma-ray

电子 质子区分 >104 伽玛电子区分 >10

高能电子及伽玛观测的难点：本底电子流量低，谱软（ -3.3)质子流量高，谱硬（ -2.75)

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现行观测高能电子及伽玛的方法• 电子 <100 GeV 磁谱仪 ( 功耗高，重量大，只能到 100GeV ）• 电子 >100 GeV 目前只有乳胶室数据• 伽玛射线 电子对望远镜

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目前高能电子及伽玛的观测状况小于 100GeV 多个实验，但数据差别有 200 ％倍高于 100GeV 只有 EC 及 ATIC高于 1TeV 总的电子数小于 10

高能伽玛射线观测很少，高能只到 30GeV

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ATIC 观测高能电子

ATIC 2002 2003 两次南极长周期观测，观测时间 36 天

科学目标：宇宙线电子和伽玛

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2000 年 CERN 标定实验，证明其电子观测能力

利用大气伽玛射线来选择电子事件

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5σ

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EC 30 years

BETS 2004

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气球观测的问题：大气本底

EC: 8mb 60o

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乳胶室空间观测

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乳胶室如何得到电子信号• 作用顶点分析 （电子都是 3 径级和 5 径级） 质子能量 10 100 103 104

平均次级径级数目 43.8 67.0 101 142.7

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如何得到电子能量• 电磁级联簇射轮廓分析：不同能量的电子产生不同的轮廓，能量分辨本领可以达到 15%

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乳胶室抑制本底水平分析• 质子作用和能量飘移 (ApJ 280, ApJ552) 至少 1/100• 作用顶点分析 （ ApJ 280) 至少 1/500 合计 1/50000 质子本底

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空间观测的优点• 暴光时间合适（返回舱 7-14 天）• 没有大气• 舱物质靠近探测器，次级本底可以通过地面乳胶室图象分析全部扣除

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探测器方案

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探测器重量与几何因子的关系几何面积(cm2) 400 900 1225 1600 2500几何因子(m2.Sr) 0.073 0.2 0.28 0.38 0.63重量(kg)

21 46 63 82 128

10 天观测电子数目(>300GeV)

70 200 280 380 630

ATIC 36 days, only about 140

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高精度分析

与日本 OPERA 中微子组合作，可以观测 10GeV 的电子 （以前只能 >200GeV),分析精度可以提高 3 倍

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乳胶室观测费用低，本底低，高精度分析技术40X50cm

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卫星观测

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高空间分辨及能量分辨的电子及伽玛射线望远镜

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Total=0.3m2sr探测器有两部分组成：高位置分辨图象量能器 (1mm)高能量分辨 BGO 量能器

IMC 2r.l.Pb

BG

O

TASC

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通过观测电磁级联两维簇射来区分质子、电子、伽玛射线该方法可以大大节省仪器重量、功耗

300GeV Gamma 300 GeV electron 1. TeV Proton

2-D shower image in detector

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探测器抑制质子本底Trigger: 100IMC: 50BGO: 100Total >5X105

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触发 • 10% 质子与探测器上部发生作用 （通过触发模式，抑制 90% 的本底）• 只有 30% 的质子动能被量能器测到 （质子的流量可以降低 90% ）两者相加，本底抑制 100 倍

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图象量能器 通过分析图象量能器中的图象，可以将质子本底抑制 50 倍以上

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BETS 飞行结果There are many code for Hadron and electron simulationGEANT3 FLUKA2002 EPIC GEANT4We have compared the simulation result with Beam test and flight data (see OG1-P-101 )Fluka2002 is the best to simulate the electron and proton shower in the calorimete

r

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通过分析 BGO 中的 shower参数，可以将本底再抑制 100倍

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1000,000 质子模拟

•10 个质子像电子•质子本底水平： 10*1000,000/10=1000,000(even considering the M.C.Simulation reliability,105)The electron detection eff >90%

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载荷重量： 600Kg功耗： 300W轨道： 500Km

15000 探测器如果只有 BGO重量； 400kg探测器： 1200

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伽玛天文

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宇宙线起源，传播

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Expected 3 years observation

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与其他大项目的区别 时间 观测能段 观测粒子 几何因子

m2 Sr

小卫星 2012 ？ 10GeV-5TeV

电子伽玛 0.3

乳胶室 2007 ？ 10GeV-5TeV

电子伽玛 0.07-0.

63GLAST 2007- 1-300GeV 伽玛 0.9AMS 2007-10 1-2TeV(?) 反粒子

电子 伽玛（？）

0.5

PAMELA 2004-07 100MeV-1TeV

反粒子电子 伽玛（？）

0.02

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目前状况• 乳胶室（种子卫星） 5kg• 小卫星 关键技术攻关

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2003 CERN Calibration

光纤BGO

Beam

数据接受系统

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谢谢

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AMS• 探测器： TRD E-M IC• TRD β>1000 电子 1000 β=0.5GeV 质子 1000 β=1TeVE-M

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E (GeV) Expected Numbar p/ e10 7.4 x 107 120

100 3.8 x 105 4201,000 1.8 x 103 1,500

Vela 0.25kpc

Vela 0.50kpc