【基金標(biāo)書】2010CB833000-暗物質(zhì)暗能量的理論研究和實驗預(yù)研

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項目名稱： 暗物質(zhì)暗能量的理論研究和實驗預(yù)研首席科學(xué)家： 吳岳良 中國科學(xué)院理論物理研究所起止年限： 2010年 1月-2014 年 8月依托部門： 中國科學(xué)院一、研究內(nèi)容擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問題和主要研究內(nèi)容包括： 本項目圍繞暗物質(zhì)和暗能量本質(zhì)開展理論研究和實驗探測的可行性分析, 充分利用已有的研究基礎(chǔ)，從以下五個方面開展深入系統(tǒng)的研究：1、暗物質(zhì)的理論研究及相關(guān)新物理唯象研究各種新物理模型，包括最小超對稱模型及其變種和推廣模型，額外維度模型，Little Higgs 模型，各種類型的 Hidden Sector模型，標(biāo)準(zhǔn)模型的最小推廣（多個 Higgs模型）中 WIMP暗物質(zhì)的湮滅及衰變過程的性質(zhì)。在滿足暗物質(zhì)剩余豐度的條件下研究其湮滅或衰變產(chǎn)物，如正電子，反質(zhì)子，高能中微子，光子的信號特點，為空間間接探測實驗提供理論依據(jù)。同時重點關(guān)注未來實驗可能觀測到的高能中微子及光子信號。在對現(xiàn)有實驗結(jié)果的研究中,由于PAMELA沒有觀測到反質(zhì)子的超出，這表明暗物質(zhì)的主要湮滅道為帶電輕子而非規(guī)范粒子或夸克，這就給一些暗物質(zhì)模型如最小超對稱模型帶來了一定的困難。對此，需要對模型的參數(shù)空間進(jìn)行更詳細(xì)的研究。同時，也需進(jìn)一步研究構(gòu)造以輕子為主要湮滅道的理論模型。另一方面，為了解釋 PAMELA和 ATIC上觀測到的正負(fù)電子超出，暗物質(zhì)在地球附近的密度分布要比通常由熱力學(xué)殘余豐度給出的大出 2-3個數(shù)量級。如何構(gòu)造模型能同時滿足這兩方面的要求是研究的重點之一，將首先研究已知的可能解釋實驗現(xiàn)象的一些機制，如量子索末菲效應(yīng)和共振態(tài)增強效應(yīng)等。尋找和發(fā)展更有效探測暗物質(zhì)的方法。通過對自旋相關(guān)與自旋無關(guān)的散射截面確定暗物質(zhì)的基本屬性。研究 DAMA實驗的正結(jié)果和其它實驗如 CDMS和Xenon給出的零結(jié)果是否一致及其它們的物理原因。鑒于 DAMA的實驗結(jié)果，探尋可能存在的統(tǒng)一解釋目前所有直接探測實驗結(jié)果的暗物質(zhì)－核子相互作用機制。研究非彈性散射和測量儀器靶物質(zhì)的相關(guān)性等。 綜合正負(fù)電子對撞機 LEP上的 Z產(chǎn)生和衰變，希格斯粒子質(zhì)量限制，額外規(guī)范粒子的研究，及低能實驗如 μ 子反常磁矩，b→sγ，B s→μ +μ -和味道改變中性流 FCNC和其它電弱精確檢驗過程，對感興趣的物理模型的參數(shù)空間作系統(tǒng)分析。給出參數(shù)空間的允許范圍，提高理論的可預(yù)言性。即將投入運行的 LHC將為研究新物理模型中暗物質(zhì)與新粒子的相互作用提供極好的機會。LHC 上 neutralino的產(chǎn)生及其級聯(lián)衰變過程已經(jīng)有大量的工作。將運用類似的方法研究其它類型的暗物質(zhì)與新粒子在 LHC上的產(chǎn)生信號。分析相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)模型背景，發(fā)展有效探尋暗物質(zhì)的新方法。在分析各種實驗探測的基礎(chǔ)上，基于對稱性等原理和量子場論，建立超越標(biāo)準(zhǔn)模型的暗物質(zhì)理論，給實驗測量提供理論依據(jù)，并接受實驗的檢驗。2、暗物質(zhì)的空間探測實驗預(yù)研本項目同時觀測高能電子及伽瑪射線，不僅對探測暗物質(zhì)，同時對解決宇宙線起源和加速機制等科學(xué)問題也將很有用處。高能伽瑪射線主要產(chǎn)生于高能電子的逆康普頓散射，高能伽瑪射線的觀測可以研究近地所有可能的高能電子源。通過高能量分辨觀測高于 1TeV的電子能譜結(jié)構(gòu)，研究當(dāng)?shù)仉娮优c近地源的關(guān)系，從而判斷宇宙線的起源，加速機制。對本課題來說，要解決的一個關(guān)鍵問題是高能電子及伽瑪射線的空間觀測技術(shù)。由于高能電子與大氣的相互作用，地面無法觀測，必須要到空間才能進(jìn)行觀測?？臻g高能電子及伽瑪射線觀測中一個最關(guān)鍵的問題是本底。如果不采用磁場，或磁場強度不夠的話，高能電子與高能質(zhì)子很難區(qū)分。根據(jù)目前的觀測數(shù)據(jù)，高能質(zhì)子流量與電子流量相差數(shù)百倍到數(shù)千倍，如何在大量的質(zhì)子本底中觀測到電子及伽瑪射線是本課題要解決的一個主要問題。主要研究內(nèi)容包括高能電子及伽瑪射線空間觀測技術(shù)及衛(wèi)星方案及原理樣機研制。通常高能電子及伽瑪射線空間觀測需要很大的衛(wèi)星資源（重量、功耗） ，顯然不適合我國的衛(wèi)星觀測。所以觀測方法的研究是一個重要內(nèi)容，采用合適的觀測方法可以節(jié)省儀器重量和功耗。同時積極參與國際合作，對國外的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和解釋。本項目有如下創(chuàng)新之處：（1）精確測量高能電子能譜（排除某些可能的模型） 。精確測量從低能（約 5GeV）到高能（約 10TeV）的電子能譜，這樣的測量將最終精確地測量電子能譜的形狀，尤其是能譜從尖銳處下降的形狀，這一結(jié)果對判定電子來源至關(guān)重要，因為暗物質(zhì)湮滅產(chǎn)生的下降很陡，而天體源產(chǎn)生的下降要緩慢得多。 （2）測量高能伽瑪射線區(qū)分 ATIC電子的來源. 由于銀河系對于伽瑪射線信號銀河系是透明的，探測伽瑪射線則直接反應(yīng)了其來源的信息。這樣，伽瑪射線的測量就不像電子那樣只能測量地球附近的流強，而可以測量來自任何地方的信號，這對于暗物質(zhì)探測有著獨特的優(yōu)勢。所以通過觀測伽瑪射線尋找并研究暗物質(zhì)粒子物理特性及空間分布。 （3）測量湮滅線作為明確的暗物質(zhì)信號。精確測量電子和伽馬射線的能譜，其能量分辨率達(dá)到1.5%，能量范圍為 5GeV-10TeV。因此，除了精確測量電子的能譜外，對于伽馬射線能譜的精確測量甚至更為重要。尤其是，其可能探測到暗物質(zhì)湮滅的線形能譜，這將是暗物質(zhì)湮滅信號存在的決定性的證據(jù)。本項目設(shè)計和研制的高能量分辨和高探測效率探測器，一方面，對檢驗現(xiàn)有的實驗結(jié)果包括 ATIC上觀測到的“超”極為重要，另一方面，對探測和發(fā)現(xiàn)在能量范圍 5GeV-10TeV內(nèi)是否存在暗物質(zhì)和可能的新現(xiàn)象具有非常重要的科學(xué)意義和價值。3、暗物質(zhì)地下探測的前沿技術(shù)預(yù)研暗物質(zhì)的探測是一個重要的物理課題，同時也是一個需要進(jìn)行長期研究的課題。暗物質(zhì)直接探測的第一個目標(biāo)是探測到可能是暗物質(zhì)的信號，然后需要確定這個信號就是暗物質(zhì)，或者它可能是來源于某一種暗物質(zhì)。這些更進(jìn)一步的工作可能需要另外的探測器來完成。本課題的主要研究內(nèi)容將是綜合分析世界上目前已有的各類探測器和探測方法，研制出下一步高靈敏度、低本底的深埋探測器，為實現(xiàn)直接探測暗物質(zhì)和研究暗物質(zhì)的性質(zhì)做準(zhǔn)備，設(shè)計出實驗方案。針對地下探測的前沿和有特色的技術(shù)預(yù)研包括：液氬探測器及探測技術(shù)的研究；過熱液滴的氣泡探測技術(shù)研究；CaF2（Eu） /BaF2 復(fù)合晶體探測技術(shù)研究。根據(jù)不同探測技術(shù)的特點，優(yōu)化探測器的規(guī)模和經(jīng)費，制作幾公斤到百公斤以下的探測器模型進(jìn)行不同類型的探測器研究，在經(jīng)過不同模型探測器各方面性能的比較后，給出暗物質(zhì)探測的下一步探測方案。液氬是比液氙更早發(fā)展的一種探測器，只是用于暗物質(zhì)的探測晚了一些時候，目前國際上液氬的探測器也處于發(fā)展很快的階段，它在光收集效率方面和 ?本底的排除方面都優(yōu)于液氙。缺點是 39Ar的本底高。兩方面綜合起來，它仍然是未來很有潛力的探測技術(shù)發(fā)展方向。我們對液氬探測器及關(guān)鍵探測技術(shù)的研究包括：（1）探索厚 GEM和微針探測器在 LAr中的工作可能； 達(dá)到單電子測量，放大倍數(shù)大于 106，時間分辨好于 1ns。LAr 探測器的研究包括：（1）測量?,n,?在 LAr中的初級光子、次級光子和電子的數(shù)目比；（2）測量?,n,?在 LAr中的初級光子、次級光子的時間分布；（3）在 LAr中?,n,?作用的能量沉積（MC 計算）與測量之比估算重粒子的等效沉積能量系數(shù)。過熱液滴技術(shù)用于暗物質(zhì)的探測始于上世紀(jì)90年代末，目前正處于快速發(fā)展的階段。該探測技術(shù)的優(yōu)點是對γ,e不靈敏,研制成本低。目前國際上PICASSO、SIMPLE和FERMILAB 3個暗物質(zhì)科研團隊利用該技術(shù)來探測暗物質(zhì)，中國原子能科學(xué)研究院目前擁有這種技術(shù)的自主知識產(chǎn)權(quán)。本項目將綜合分析世界上目前已有的過熱液滴探測器，選擇一種最行之有效的過熱液滴，研制出高靈敏度、低本底的深地下過熱液滴氣泡探測器，其主要研究內(nèi)容包括：（1）通過MC計算在過熱液滴中γ,n,e,α作用的能量沉積與液滴半徑、溫度、壓力的關(guān)系；得出探測器對電子和伽瑪不靈敏條件； （2）利用現(xiàn)有的材料和儀器研制200mL探測器模型，進(jìn)行γ,n,e,α在探測器中信號的前期研究，并為音頻測量粒子的技術(shù)和讀出系統(tǒng)研究提供探測器模型。 （3）選擇合適的材料、容器，制作升級探測器單元，幾十～百升量級探測器陣列。CaF2（ Eu）/BaF2 復(fù)合晶體探測器：F-19 具有最大的自旋相關(guān)作用截面， Ba-138 和 Ba-137 具有最大的自旋無關(guān)作用截面，此探測器既探測 DM 自旋相關(guān)的事例又探測 DM 自旋無關(guān)的事例，并且其將觀測 DM 的所有信號：核反沖信號 + 電子反沖信號 + 電磁輻射信號（e-, r, x-ray） ，特別是從自旋相關(guān)角度來觀測 DM 的年調(diào)制，既尋找 WIMP 存在的證據(jù)，又將檢驗 DAMA 的結(jié)果。CaF2（ Eu）/ BaF2 在低能區(qū)的優(yōu)勢可互補，并將可達(dá)到低的探測閾能。CaF2（ Eu）/ BaF2 能達(dá)到低放射性，將來都較易擴大到大規(guī)模，并且長期運行穩(wěn)定。研究內(nèi)容擬采用具有低的放射性 CaF2（Eu ）/BaF2 復(fù)合晶體。搭建幾十公斤 CaF2（ Eu）/BaF2 復(fù)合晶體測量裝置和讀出系統(tǒng)，進(jìn)行探測器和數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的調(diào)試，確定相應(yīng)運行參數(shù)。建立數(shù)據(jù)分析軟硬件環(huán)境。逐步在地下完成探測器陣列的建造和主、被動屏蔽的建造。通過實驗數(shù)據(jù)積累，獲得包括：探測閾能，能量分辨率、DM 探測靈敏度，本底水平，等各項參數(shù)。為整個實驗方案設(shè)計提供數(shù)據(jù)和依據(jù)。在進(jìn)行探測器預(yù)研的同時， （1）我們同時跟蹤國際上最新的 WIMP 直接探測手段（比如 CF4 氣體 TPC） ，比較這些探測手段的可行性和靈敏度，研究其關(guān)鍵技術(shù)的難點和實現(xiàn)方法。 （2）參考國際上各種相關(guān)實驗的近期結(jié)果給出的限制，與理論學(xué)家合作，進(jìn)一步探討云南站云霧室、KOLAR、LVD 實驗中奇異事例的存在性。4、暗能量的理論研究和地面探測方案預(yù)研充分利用最新天文觀測數(shù)據(jù)找出暗能量的狀態(tài)參數(shù)；利用暗能量模型和修改的引力模型導(dǎo)出的物質(zhì)微擾方面的動力學(xué)性質(zhì)不同的特點，區(qū)分暗能量模型和修改的引力模型；從基本自洽引力理論出發(fā)，理解暗能量的起源及其本質(zhì)，并探索新的暗能量探測的方法。 利用觀測數(shù)據(jù)研究暗能量的性質(zhì)。利用最新的超新星數(shù)據(jù)（如 SNAP數(shù)據(jù)），宇宙微波背景輻射數(shù)據(jù)（如 Planck數(shù)據(jù)），大尺度巡天數(shù)據(jù)（如 LAMOST,SDSS等數(shù)據(jù)），BAO 數(shù)據(jù)，弱引力透鏡數(shù)據(jù)和強引力透鏡數(shù)據(jù)等天文觀測數(shù)據(jù)來給出包括暗能量的狀態(tài)參數(shù)在內(nèi)的暗能量的性質(zhì),這里要解決的關(guān)鍵問題是找出一種和模型無關(guān)的方法,如利用分段參數(shù)化方法等.因為在很小紅移范圍內(nèi),暗能量的狀態(tài)參數(shù)總可以看成是一個常數(shù),所以分段參數(shù)化方法是最好的和模型無關(guān)的分析方法.在對暗能量的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行分段參數(shù)化時,我們需要把紅移分成很多份,這樣我們就必然要引入很多參數(shù).參數(shù)一多,通常的格點化方法所需要的時間便成幾何倍數(shù)增加,所以我們需要用蒙特卡洛馬爾可夫鏈統(tǒng)計方法來處理觀測數(shù)據(jù)。同時研究暗能量狀態(tài)參數(shù)對參數(shù)化的相關(guān)性和特征性質(zhì)，給出更合理和自洽的暗能量狀態(tài)方程，建立暗能量唯象模型。利用觀測數(shù)據(jù)區(qū)分暗能量模型和修改的引力模型。由于修改的引力模型也可以用來擬合這些觀測數(shù)據(jù),如何區(qū)分暗能量模型和修改的引力模型也是我們需要解決的關(guān)鍵問題之一。由于上述這些天文觀測數(shù)據(jù)是關(guān)于距離-紅移方面的數(shù)據(jù),即這些數(shù)據(jù)原則上可以給出哈勃參數(shù)隨紅移的變化這些運動學(xué)方面的信息,而修改的引力模型和暗能量模型可以給出相同的哈勃參數(shù)-紅移關(guān)系。注意到修改的引力理論中的物質(zhì)微擾所滿足的動力學(xué)方程和愛因斯坦引力中的物質(zhì)微擾所滿足的動力學(xué)方程不同,所以盡管它們給出相同的距離-紅移方面的運動學(xué)信息,它們給出的物質(zhì)微擾方面的動力學(xué)信息是不同的.我們可以結(jié)合運動學(xué)及動力學(xué)信息來區(qū)分暗能量模型和修改的引力模型.我們的研究發(fā)現(xiàn)物質(zhì)微擾動力學(xué)方程可以用簡單的增長因子來描述,即不同的暗能量模型及不同的修改引力模型給出不同的增長因子，所以在利用大尺度結(jié)構(gòu)及星系團數(shù)據(jù)來擬合動力學(xué)信息時可以給出增長因子的信息，從而用來區(qū)分暗能量模型和修改的引力模型。開展暗能量性質(zhì)的研究。從基本自恰引力理論出發(fā)，理解暗能量的可能起源，構(gòu)造與天文觀測數(shù)據(jù)相符的暗能量模型是我們的研究重點。另一方面，宇宙加速膨脹（暗能量的存在性）的結(jié)論是基于廣義相對論和宇宙學(xué)原理的基礎(chǔ)上推出來的。在宇宙學(xué)尺度上廣義相對論沒有得到檢驗，宇宙中的非均勻性的效應(yīng)對宇宙加速膨脹是否有影響，這些問題明顯地要求進(jìn)一步的研究。因此在修改的廣義相對論（如標(biāo)量-張量理論，弦理論中低能行為的高階導(dǎo)數(shù)效應(yīng)），膜世界圖像，以及如超弦/M 理論等理論出發(fā)來研究宇宙的加速膨脹問題也是我們的主要研究內(nèi)容。宇宙學(xué)新探子的理論研究。暗能量 TASK FORCE（DETF）評估了目前比較成熟的和未來幾年可能實施的觀測宇宙暗能量的實驗，指出有四類天文觀測將對暗能量的研究起到重要的作用：超新星， BAO ,星系團豐度和弱引力透鏡。我們將從宇宙膨脹的歷史和宇宙結(jié)構(gòu)形成出發(fā)研究探測宇宙暗能量的新實驗方式，為開展相關(guān)實驗做好理論準(zhǔn)備，起到理論先行的作用。 對我國未來暗能量探測的可能方案進(jìn)行研究，著重研究暗能量探測的基本原理和相關(guān)的科學(xué)問題，特別是對在南極 Dome A 或青藏高原建造大型寬視場光學(xué)／近紅外望遠(yuǎn)鏡以及參與國外相關(guān)項目等暗能量探測項目進(jìn)行研究， 探索不同的設(shè)計方案，預(yù)測其觀測能力，為我國暗能量探測項目的最終確定提供科學(xué)依據(jù)。暗能量與普通物質(zhì)相互作用很弱，因此對它的探測主要是通過其對宇宙演化中一些現(xiàn)象的影響來進(jìn)行。目前提出的測量方案，有宇宙微波背景輻射、超新星、重子聲波振蕩、Alcock-Pacynski 效應(yīng)、弱引力透鏡、星系團計數(shù)、ISW 效應(yīng)、強引力透鏡、星系相對年齡等等多種不同的效應(yīng)，而使用的觀測手段也有光學(xué)、紅外、紫外、微波、射電（21 厘米）、X-射線、伽瑪射線乃至引力波等，并且包括測光和光譜等不同方式。我們將對運用這些不同方法探測暗能量的基本原理進(jìn)行研究，并在此基礎(chǔ)上提出改進(jìn)的或新的觀測和檢驗暗能量模型的方法。一些修改引力模型在大尺度上可以產(chǎn)生與暗能量相似的效應(yīng)，從而導(dǎo)致宇宙的加速膨脹，僅僅從狀態(tài)方程難以將其與單純的暗能量區(qū)分開來。但是，在修改引力模型中結(jié)構(gòu)的增長過程將有所不同，通過對增長因子的測量可以將其區(qū)分開來。通過綜合運用引力透鏡和本動速度等可以檢驗這一性質(zhì)，這也是對引力理論的一個重要檢驗。對于觀測到的宇宙加速膨脹現(xiàn)象，除了暗能量外也存在另一種可能性，即我們的宇宙不符合大尺度上均勻、我們并不處在特殊位置上的哥白尼原理。如果我們所處的位置剛好位于一個非常大的密度較低區(qū)域的中心，那么也有可能會觀測到加速膨脹現(xiàn)象。對于這種可能性，除了進(jìn)一步觀測更高紅移的天體外，也可以利用重子聲波振蕩、ISW 效應(yīng)等加以檢驗。最后，暗能量探測設(shè)備在其它科學(xué)上也會有許多重要的應(yīng)用，如高紅移星系的形成和演化、地外行星的搜索等。這些研究所需要的望遠(yuǎn)鏡性能和觀測方式與暗能量探測有共同之處，也有不同之處，為了使探測設(shè)備能夠發(fā)揮較多的效用，也需要在研究中加以考慮。暗能量觀測性能的預(yù)測和方案優(yōu)化。暗能量探測裝置的設(shè)計存在多種可能性，有許多問題在制訂基本方案時必須考慮。例如，望遠(yuǎn)鏡的口徑，視場，巡天方式，測光波段的選取，光譜的分辨率選擇等。要回答以上這些問題，必須考慮不同暗能量觀測的需求。例如，弱引力透鏡觀測中，引力透鏡產(chǎn)生的剪切(shear) 是通過平均星系的指向而測定的，星系本身的指向是隨機的，因此為了提高精度，需要盡可能觀測到較暗的星系，提高單位面積的星系數(shù)量，以降低隨機噪聲，同時也需要較高的角分辨率，而后者取決于角分辨率和視寧度， 在這一觀測中，星系的測光紅移精度對暗能量的限制也有影響，總的精度還取決于觀測的天區(qū)面積。 類似的，對于超新星、重子聲波振蕩、星系團計數(shù)等，對這些基本參數(shù)也有不同的要求，因此存在對觀測方案進(jìn)行優(yōu)化的問題。 這一問題的復(fù)雜性還在于，不同觀測的組合對于降低誤差也有很大的影響，例如將弱引力透鏡與重子聲波振蕩觀測進(jìn)行組合，可以明顯降低測光紅移引起的誤差。又如，如果儀器同時具有測光和光譜觀測能力，可以利用光譜觀測的一個小樣本作為測光紅移觀測的訓(xùn)練樣本，從而提高測光紅移的測量精度。此外，針對不同的暗能量模型，其最優(yōu)觀測也是不同的。因此，在優(yōu)化過程中也必須注意其性能具有較廣的適應(yīng)性。 我們計劃對不同的暗能量觀測手段以及其組合進(jìn)行研究，找出影響誤差的主要因素和誤差隨參數(shù)變化的規(guī)律，為制定暗能量觀測設(shè)備基本方案及其觀測方法提供科學(xué)依據(jù)。5、暗物質(zhì)噸級液氙探測器的預(yù)研如果暗物質(zhì)是 WIMPs 的話，應(yīng)該可以通過直接探測的方法來找到。其中要克服的難點就是探測器的質(zhì)量必需足夠的大，和各種本底必須足夠的低或可以用有效的辦法來進(jìn)行分辨。因此大質(zhì)量探測器和本底的消除和辨別是兩個重要的實驗研究內(nèi)容。大質(zhì)量的探測器（噸級）的建造沒有原則上的困難，但也需要一定的技術(shù)創(chuàng)新。本課題組成員在 XENON10 和 ZEPLIN探測器建造中參與了全過程， 因此有豐富的實際經(jīng)驗。大質(zhì)量的探測器需要一個有高效率的液氙提純系統(tǒng)和穩(wěn)定的低溫系統(tǒng)。作為噸級液氙探測器的預(yù)研，我們計劃研制一個新型的 25公斤的“二相型氙”探測器，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計建造一個 200公斤的液氙探測器。這個探測器和目前世界上最大的、在意大利運行的液氙探測器相當(dāng)。本課題組上海交通大學(xué)研究人員參與了該探測器的設(shè)計、建造和運行的全過程，并起了重要的骨干作用。這個 200公斤的探測器，除內(nèi)部容量大小和光電管數(shù)目外，外屏蔽系統(tǒng)、液氙提純系統(tǒng)、電子系統(tǒng)和信號采集、數(shù)據(jù)分析等和噸級探測器基本相同。大質(zhì)量的探測器對本底的要求更高，而本底的研究是找到暗物質(zhì)的關(guān)鍵。本底有多種來源：有宇宙線而產(chǎn)生的本底，有探測器周圍的物體，包括巖石，容器，和光電倍增管本身的放射性而產(chǎn)生的本底；也有探測材料本身的不純而產(chǎn)生的本底。宇宙線的本底減少需要更深的地下實驗室。PMT 本身的放射性是個重要的問題, 本項目組正和日本 Hamamatsu公司研制超低本底的 PMT。容器的本身需要超低本底的材料來建造。此外，大質(zhì)量的探測器本身就能對放射性作有效屏蔽。如何有效的降低探測器、探測器周圍的物體，以及環(huán)境中的放射性本底，是探測微弱信號的實驗中很重要的一環(huán)。因此對低本底探測器和測量方法的研究，實驗中所使用的一切相關(guān)設(shè)備的材料放射性本底的檢測，根據(jù)放射性檢測來選取合適的材料，設(shè)計更好的防輻射的屏蔽系統(tǒng)，都對 WIMPs的測量有很大的促進(jìn)作用。二、預(yù)期目標(biāo)本項目的總體目標(biāo)： 系統(tǒng)地研究暗物質(zhì)和暗能量的性質(zhì)，發(fā)揮理論先行和實驗預(yù)研的作用，強調(diào)理論研究與實驗探測設(shè)計相結(jié)合和多學(xué)科交叉融合的優(yōu)勢，為開展對暗物質(zhì)的間接和直接探測提供可靠的物理依據(jù)和可行的實驗設(shè)計及有效的探測方案，推進(jìn)我國空間衛(wèi)星的天體粒子物理實驗平臺、國家深部地下實驗室（如：四川錦屏二級水電站深覆蓋層隧洞可建成世界上最埋深地下實驗室） ，南極 Dome A地面天文望遠(yuǎn)鏡觀測實驗基地和的建設(shè)。 五年預(yù)期目標(biāo): 1. 完成針對 PAMELA/ATIC/Fermi和 DAMA以及其它可能的新實驗結(jié)果的唯象分析和理論模型建立。期望發(fā)展出能統(tǒng)一解釋直接和間接實驗探測結(jié)果的理論機制。完成對一類典型暗物質(zhì)模型（包括多希格斯模型）的暗物質(zhì)存在機制及參數(shù)空間的完整分析，給實驗探測和設(shè)計提供物理基礎(chǔ)和理論依據(jù)。結(jié)合實驗觀測，基于對稱性等基本原理和量子場論，建立一個自洽的超越粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的暗物質(zhì)理論模型。2. 短期目標(biāo)是通過國際合作，獲得最新觀測數(shù)據(jù)尋找暗物質(zhì)粒子存在的證據(jù)。長期目標(biāo)是設(shè)計一個精細(xì)的高能電子和伽瑪射線探測器進(jìn)行空間觀測，補充 AMS在高能伽瑪及電子探測方面的弱點，采用新的方法來觀測高能電子和伽瑪射線。通過觀測暗物質(zhì)粒子衰變或暗物質(zhì)粒子相互作用后產(chǎn)生的電子（包括正電子）和伽瑪射線來尋找暗物質(zhì)粒子存在的證據(jù)。由于衛(wèi)星研制需要一定的周期，在本項目期間的目標(biāo)是完成該探測器的原理樣機。3. 完成基于模型液氬探測器的研究、過熱液滴氣泡探測器的研究、CaF2（ Eu）/BaF2 復(fù)合晶體探測器的研究。根據(jù)不同探測技術(shù)的特點，綜合考慮，優(yōu)化探測器的規(guī)模和經(jīng)費，制作幾公斤到百公斤以下的探測器模型進(jìn)行不同類型的探測器研究，一旦能夠明確下一步探測器的方案，盡快并且有效的集中人力和經(jīng)費進(jìn)入到目標(biāo)探測器的研究中去。在經(jīng)過不同模型探測器各方面性能的比較后，給出暗物質(zhì)探測的下一步探測方案。4. 完成一個 25 公斤液氙探測器(CXO-25)的建造和地下運行，并在五年結(jié)束以前取得首批暗物質(zhì)采集數(shù)據(jù)，設(shè)計建造一個 200 公斤(CXO-200)的液氙探測器。進(jìn)一步完成噸級 LXe暗物質(zhì)探測方案的設(shè)計，準(zhǔn)備工程初步方案；5. 利用觀測數(shù)據(jù)研究暗能量的性質(zhì)，包括利用觀測數(shù)據(jù)區(qū)分暗能量模型和修改的引力模型，暗能量本質(zhì)研究，宇宙學(xué)新探子的理論研究等，并期望在一到二個方向上取得突破性進(jìn)展。6. 完成對暗能量探測的原理、方法、方案的全面探索，為確定我國暗能量探測實驗基本方案提供理論依據(jù)，對其中的關(guān)鍵問題特別是主要誤差的估計和修正給出解決方案，發(fā)展所需的理論方法。7. 取得具有國際影響力的重要基礎(chǔ)研究成果，包括在本領(lǐng)域著名國際期刊發(fā)表系列學(xué)術(shù)論文。8. 培養(yǎng)一批具有粒子物理、天體宇宙學(xué)及其交叉學(xué)科研究能力的，理論與實驗相結(jié)合的優(yōu)秀人才。通過項目的協(xié)作實施，在暗物質(zhì)和暗能量研究領(lǐng)域形成一支在國際上具有重要影響的研究團隊。三、研究方案1）學(xué)術(shù)思路： 圍繞暗物質(zhì)和暗能量本質(zhì)問題，開展相關(guān)的理論研究和相應(yīng)的實驗可行性和競爭性探索。充分發(fā)揮理論和實驗相結(jié)合的優(yōu)勢，定期和不定期的召開討論會，互通進(jìn)展和研究中遇到的新問題?？傮w思路示意圖如下：2）技術(shù)途徑： 1、暗物質(zhì)的理論研究及相關(guān)新物理唯象：首先將主要研究可以用來解釋 PAMELA/ATIC/Fermi和 DAMA的結(jié)果的理論機制，在超對稱和多希格斯模型中考慮暗物質(zhì)衰變的可能機制。 構(gòu)造具有量子索末菲效應(yīng)和共振態(tài)增強效應(yīng)等可能的唯象模型。 發(fā)展數(shù)值和模擬方法計算宇宙線中的正負(fù)電子，光子和高能中微子能譜。 研究可以用來區(qū)分暗物質(zhì)湮滅和脈沖星天體源的方法。建立自洽的暗物質(zhì)理論模型，解釋實驗觀測現(xiàn)象和結(jié)果，預(yù)言可被探測和檢驗的新物理唯象，提供給實驗設(shè)計有用的理論依據(jù)。2．暗物質(zhì)的空間探測實驗預(yù)研：我國的暗物質(zhì)粒子探測器擬主要由三部分組成，上部的徑跡探測器用來測量入射粒子的方向，中部的 BGO量能器用來測量入射粒子的能量，同樣這兩個探測器可以區(qū)分電子和質(zhì)子。底部的中子探測器可以增加電子和質(zhì)子的區(qū)分本領(lǐng)。為了在較短的時間內(nèi)提高觀測精度，我們計劃繼續(xù)與美國合作，重新設(shè)計ATIC（新項目名：AREL）, 提高能量分辨和本底水平，爭取 2011-2012年左右能夠在南極長時間觀測。3、暗物質(zhì)地下探測的前沿技術(shù)預(yù)研綜合分析世界上目前暗物質(zhì)探測探測方法，研制出下一步高靈敏度、低本底的深埋探測器，為實現(xiàn)直接探測暗物質(zhì)和研究暗物質(zhì)的性質(zhì)做準(zhǔn)備，設(shè)計出實驗方案。對 LAr探測器及探測技術(shù)的研究包括：吸收別人的所長，避其所短，進(jìn)行有特色的獨立的研究。采用快速響應(yīng)的氣體探測器，直接測量漂移電子（TPC方法）群，對 LAr的探測器性能進(jìn)行研究，與 LXe的探測性能進(jìn)行比較；探索將微針電極直接工作在 LAr中的關(guān)鍵技術(shù)；。對過熱液滴的氣泡探測技術(shù)研究包括：（1）選擇一種合適的過熱液體作探測靈敏液體；（2）通過 MC 計算在過熱液滴中 γ ,n,e,α 作用的能量沉積與液滴半徑、溫度、壓力的關(guān)系，得出探測器對電子和伽瑪不靈敏條件；（3）利用現(xiàn)有的材料和儀器研制 200mL 探測器模型，進(jìn)行先期條件實驗研究；（4）分別測量 γ,n,e, α 在探測器模型中的信號，檢驗 γ、e 在探測器中的不靈敏水平，α 本底水平和中子響應(yīng)參數(shù)，為主動和被動屏蔽的建造提供相應(yīng)依據(jù)；（5）通過音頻測量粒子的技術(shù)和讀出系統(tǒng)研究；（6）壓力、溫度控制系統(tǒng)研制；（7）利用選定的材料、容器，制作升級探測器單元，幾十～百升量級探測器陣列探測器模型制作和性能測試。關(guān)于 CaF2（Eu）/BaF2 復(fù)合晶體探測方案，擬采用具有低的放射性CaF2（ Eu）/BaF2 復(fù)合晶體。搭建幾十公斤 CaF2（Eu ）/BaF2 復(fù)合晶體測量裝置和讀出系統(tǒng)，進(jìn)行探測器和數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的調(diào)試，確定相應(yīng)運行參數(shù)。建立數(shù)據(jù)分析軟硬件環(huán)境。逐步在地下完成探測器陣列的建造和主、被動屏蔽的建造。通過實驗數(shù)據(jù)積累，獲得包括：探測閾能，能量分辨率、DM 探測靈敏度，本底水平，等各項參數(shù)。為整個實驗方案設(shè)計提供數(shù)據(jù)和依據(jù)。在進(jìn)行探測器預(yù)研的同時，（1）我們同時跟蹤國際上最新的 WIMP直接探測手段（比如 CF4氣體 TPC），比較這些探測手段的可行性和靈敏度，研究其關(guān)鍵技術(shù)的難點和實現(xiàn)方法。（2）參考國際上各種相關(guān)實驗的近期結(jié)果給出的限制，與理論學(xué)家合作，進(jìn)一步探討云南站云霧室、KOLAR、LVD 實驗中奇異事例的存在性。4、暗能量的理論研究和地面探測方案預(yù)研一方面利用國際國內(nèi)已有的觀測數(shù)據(jù)區(qū)分暗能量模型和修改的引力模型，若確定為暗能量模型，則進(jìn)一步研究暗能量是動力學(xué)的緩變標(biāo)量場還是額外維度理論的效應(yīng)。另一方面，從暗能量觀測的基本原理出發(fā)，運用解析的和數(shù)值模擬的方法對暗能量探測裝置的觀測性能，包括系統(tǒng)誤差等進(jìn)行預(yù)測，對觀測方案進(jìn)行優(yōu)化。5、暗物質(zhì)噸級液氙探測器的預(yù)研當(dāng)前國際上最好的暗物質(zhì)直接探測實驗結(jié)果來自 CDMS和 XENON10兩個實驗。CDMS實驗利用高純鍺為探測材料，該實驗已經(jīng)發(fā)展了近二十年，在實驗技術(shù)上已經(jīng)發(fā)展的非常成熟。該技術(shù)能夠非常有效地區(qū)分由伽馬射線產(chǎn)生的本底。然而，該技術(shù)的發(fā)展目前遇到了很大的瓶頸，即如何更快的增加探測器的質(zhì)量以提高對暗物質(zhì)探測的靈敏度。與 CDMS相比，利用液氙的 XENON實驗不僅在費用上大大的減少，而且在技術(shù)上也有獨到的創(chuàng)新之處。XENON 實驗利用的“二相型氙”探測技術(shù)才發(fā)展了不到十年，其結(jié)果就已經(jīng)超越了發(fā)展了近二十年的高純鍺技術(shù)。液氙技術(shù)在國際上被普遍認(rèn)為是最有前景的暗物質(zhì)直接探測技術(shù)，目前有四個具有類似技術(shù)的實驗在發(fā)展和競爭之中。其中包括處于領(lǐng)先地位的并已經(jīng)建造完成，質(zhì)量為 170公斤的 XENON100實驗（上海交通大學(xué)為XENON100合作組成員），正在建造之中將把質(zhì)量提高到 300公斤的美國 LUX實驗，以及正在建造的日本 XMASS實驗。在幾年之內(nèi)，要在國際上取得領(lǐng)先地位，我們必須開展以噸級為目標(biāo)的預(yù)研。由于我們所在的 XENON100實驗質(zhì)量已經(jīng)達(dá)到了 170公斤，同時為了與有可能在幾年之內(nèi)有首批結(jié)果的 LUX300公斤探測器競爭，我們的探測器設(shè)計的質(zhì)量以 200公斤為基礎(chǔ)，以噸級為目標(biāo)?！岸嘈碗碧綔y器的原理如下圖所示。圖二：“二相型氙”暗物質(zhì)探測器的原理和信號介紹。它的主體為液態(tài)的氙，由專門的制冷系統(tǒng)將之恒溫冷卻在零下 100攝氏度。放射線（包括伽馬射線，中子）或者暗物質(zhì)粒子在液氙中與核子或核外電子產(chǎn)生碰撞后，氙原子會產(chǎn)生激發(fā)態(tài)或電離。原子的激發(fā)態(tài)返回基態(tài)的過程中會發(fā)出波長約 178nm的閃光信號，被我們稱為 S1信號。在液氙中外加一個強度約 1 kV/cm的電場后，由電離產(chǎn)生的電子將在液氙中產(chǎn)生漂移。當(dāng)電子漂移到液氙上部的氣態(tài)氙中時，一個更強的電場（約 10 kV/cm）將加速這些電子在氣態(tài)氙中的漂移，同時在氣態(tài)氙中產(chǎn)生更多的氙原子激發(fā)態(tài)。這些激發(fā)態(tài)回到基態(tài)的過程中同樣會發(fā)出 178nm的閃光信號，稱為 S2信號。S2 信號的強度與在液氙中漂移的電子數(shù)目成正比。S1 和 S2信號都是用分布在液氙周圍的對 178nm波長感應(yīng)度很高的光電管測量。S1 和 S2信號的時間差可被用來計算放射線在液氙中碰撞所處的上下位置(Z)。由于電子在漂移過程中擴散很少，我們可以利用發(fā)生在氣態(tài)氙中的 S2信號在上部各個光電管中的信號強度分布來計算碰撞所處的 XY位置。同時，S2/S1 的比例和碰撞的類型相關(guān)。由來自中子或暗物質(zhì)的原子核彈性反沖產(chǎn)生的 S2/S1大大小于來自伽馬射線的電子反沖產(chǎn)生的 S2/S1。因此，“二相型氙”不僅可以精確的測量事例在液氙中的三維位置，更可以區(qū)分不同的入射粒子。由此可以排除大量由探測器外部放射線所帶來的本底，對反應(yīng)截面非常小的暗物質(zhì)碰撞稀有事例達(dá)到有效的搜尋。四、年度計劃研究內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo)第一年1、 重點對 Fermi 和 PAMELA，ATIC等空間探測試驗的最新結(jié)果做模型無關(guān)的唯相分析。運用數(shù)值和半解析方法計算宇宙線中的電子，光子和高能中微子能譜的方法。2、 積極參與國際合作，開展暗物質(zhì)空間探測器物理設(shè)計和模擬仿真。3、 暗物質(zhì)地下探測方面積極準(zhǔn)備包括液氬、過熱液滴、復(fù)合晶體等各種探測器所需的各類設(shè)備4、 研究如何從天文觀測數(shù)據(jù)中提取暗能量信息的方法。5、 對在南極 DOME A上開展暗能量研究的原理、方法及方案開展全面探索。6、 研究“二相型氙”暗物質(zhì)地下探測器的原理；研究探測器對氙氣純度的要求，以及氙氣提純的方法；研究影響暗物質(zhì)直接探測靈敏度的各種因素。1、 建立完整的分析程序包，并在此基礎(chǔ)上完成對目標(biāo)實驗結(jié)果的分析。2、 完成暗物質(zhì)空間探測器系統(tǒng)（如：位置分辨閃爍探測器） 和多路電子學(xué)系統(tǒng)和指標(biāo)設(shè)計，完成中子探測器的計算和仿真。3、 完成暗物質(zhì)地下的液氬、過熱液滴、復(fù)合晶體等各種探測器的工程設(shè)計，準(zhǔn)備探測器的蒙特卡羅模擬程序，建立數(shù)據(jù)分析環(huán)境。從硬件、軟件兩方面完成探測器單元的實驗準(zhǔn)備。4、 掌握利用天文數(shù)據(jù)提取暗能量信息的各種方法，同時利用這些方法初步研究暗能量的狀態(tài)參數(shù)，并從在理論上研究符合這些性質(zhì)的可能暗能量理論模型。5、 利用數(shù)值模擬手段確定暗能量探測實驗的基本方案。6、 完成 25公斤的探測器(CXO-25)的設(shè)計，并開始建造。研究內(nèi)容 預(yù) 期目標(biāo)第二年1、研究各類暗物質(zhì)模型中的暗物質(zhì)湮滅和衰變機制，重點研究可能增強湮滅截面的機制如索末菲效應(yīng)和共振態(tài)效應(yīng)等2、開展探測器原理樣機研制和衛(wèi)星接口設(shè)計及協(xié)調(diào)3、繼續(xù)對暗物質(zhì)地下探測器的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究；模擬完成各種探測器靈敏度曲線，初步建立信號處理、數(shù)據(jù)分析程序庫。4、利用觀測數(shù)據(jù)對暗能量和宇宙學(xué)其他參數(shù)給出限制。從基本理論出發(fā)構(gòu)造暗能量模型并于天文觀測相比較。5、結(jié)合宇宙學(xué)數(shù)值模擬、半解析模型、以及觀測數(shù)據(jù)，建立針對重子振蕩測光巡天的模擬星表。6、研究控制“二相型氙”探測器穩(wěn)定運行的各種技術(shù)；研究宇宙線、材料放射性等對本底的貢獻(xiàn)及其控制方法。1、 深入了解具體物理模型中的暗物質(zhì)湮滅機制。2、 完成暗物質(zhì)空間探測器的位置分辨閃爍探測器原理樣機研制。完成 BGO閃爍探測器原理樣機，多路電子學(xué)系統(tǒng)原理樣機研制。完成暗物質(zhì)空間探測器的Monte Carlo仿真。并完成與衛(wèi)星有關(guān)的接口設(shè)計和協(xié)調(diào)。3、 攻關(guān)解決暗物質(zhì)地下探測器部件的關(guān)鍵技術(shù)難點，完成探測器單元的測試，為探測器的整體搭建做好準(zhǔn)備。軟件上也做好數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)備。4、 建立針對重子振蕩測光巡天的模擬星表。5、 完成 CXO-25的建造，并開始地面測試，并完成 CXO-25的數(shù)據(jù)處理軟件。研究內(nèi)容 預(yù) 期目標(biāo)第三年1、研究暗物質(zhì)直接探測過程的物理機制，探尋可能存在的統(tǒng)一解釋目前所有直接探測實驗結(jié)果的暗物質(zhì)－核子相互作用機制。2、原理樣機組裝和測試，同時開始探測器飛行樣機設(shè)計和衛(wèi)星立項準(zhǔn)備工作。3、在研究所實驗室內(nèi)搭建起液氬、晶體和過熱液滴等幾種暗物質(zhì)地下探測器的整體結(jié)構(gòu)。4、研究物質(zhì)及暗能量的微擾及其觀測效應(yīng)。5、利用重子振蕩測光巡天的模擬星表，開發(fā)測量星系功率譜及重子振蕩的軟件。6、研究制造大型液氙探測器所需的各類技術(shù)和實施方案；研究在地下實驗室中工作的具體要求，及屏蔽系統(tǒng)安裝的方法1、 弄清暗物質(zhì)和探測器靶物質(zhì)的相互作用，希望能對未來暗物質(zhì)的探測給出理論指導(dǎo)。2、 開始暗物質(zhì)空間探測器的原理樣機整機組裝和測試標(biāo)定。3、 完成探測器的整體建造，使得探測器正常運行，獲得第一批整體測試數(shù)據(jù)。4、 從理論上揭示暗能量的可能起源及探測方法。5、 完成測量星系功率譜及重子振蕩的軟件，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)屏蔽、選擇函數(shù)、測光誤差等實際問題的優(yōu)化。6、 完善 CXO-25的各個子系統(tǒng)，并完成地面測試。完成屏蔽系統(tǒng)材料的購買，并開始在地下實驗室中安裝屏蔽系統(tǒng)，同時開始 200公斤液氙探測器的設(shè)計。研究內(nèi)容 預(yù) 期目標(biāo)第四年1、對現(xiàn)有的暗物質(zhì)模型作綜合分析，通過各類對撞機實驗和低能過程數(shù)據(jù)對主要的暗物質(zhì)模型的參數(shù)空間作完整分析。2、衛(wèi)星飛行探測器設(shè)計和仿真3、進(jìn)一步優(yōu)化暗物質(zhì)地下探測器的設(shè)置和組合方式，調(diào)節(jié)模擬和數(shù)據(jù)分析程序，探測器移至地下實驗室，獲物理數(shù)據(jù)。4、研究暗能量和暗物質(zhì)的相互作用并尋找觀測證據(jù)5、研究地下實驗的運行條件；研究大型液氙探測器的穩(wěn)定運行所需的各類技術(shù)和放射線在大型液氙探測器中的信號產(chǎn)生和鑒別1、完成對幾類主要模型中的暗物質(zhì)信號的全面分析。2、完成暗物質(zhì)空間探測器的機，電，熱設(shè)計。3、開始暗物質(zhì)液氬、晶體和過熱液滴的地下實驗，獲取實驗數(shù)據(jù)4、初步提出暗能量探測的原理、方法及方案5、將 CXO-25安裝到地下實驗室的屏蔽系統(tǒng)中，并開始運行。完成200公斤的探測器(CXO-200)的設(shè)計和本底模擬，并開始建造。第五年1、 在已有研究的基礎(chǔ)上重點研究暗物質(zhì)的理論模型構(gòu)造?；趯ΨQ性等基本原理和量子場論，建立自洽的超越粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的暗物質(zhì)理論模型。2、 開展暗物質(zhì)空間探測的飛行樣機研制。3、 維護(hù)幾個小型的暗物質(zhì)地下探測實驗運行，穩(wěn)定獲取數(shù)據(jù)，分析得到最終物理結(jié)果。4、 從第一性原理出發(fā)構(gòu)造暗物質(zhì)和暗能量相互作用的場論模型，并與天文觀測做比較。5、 研究 CXO-25對暗物質(zhì)的直接尋1、深入了解暗物質(zhì)與粒子物理基本對稱性的關(guān)系，構(gòu)造出更有理論吸引力的自洽模型，并給出暗物質(zhì)信號的預(yù)言。2、爭取暗物質(zhì)空間探測的衛(wèi)星立項。3、給出細(xì)致完整的、下一步暗物質(zhì)地下探測的實驗技術(shù)方案。4、完成對暗能量探測的原理、方法、方案的全面探索，為確定我國暗能量探測實驗基本方案提供理論依據(jù)。5、利用 CXO-25采集地下低本底和暗物質(zhì)尋找數(shù)據(jù)，發(fā)表首批暗物研究內(nèi)容 預(yù) 期目標(biāo)找和探測；研究“噸量級”探測器所需條件和技術(shù)質(zhì)探測結(jié)果。完成建造 CXO-200液氙暗物質(zhì)探測器。