暗物质粒子检测和LHAASO实验的新知识

                                          暗物质粒子检测和LHAASO实验的新知识


                                          1,我们的宇宙非常“黑暗” 了解我们所居住的宇宙一直是人们追求的目标。根据太阳,月亮和星星的运动,人们已经掌握了昼夜交替和季节变化的规律,并将其用于农业生产和日历时间;通过行星的精确运动规律,开普勒总结了行星运动的三个定律,并导致牛顿提出了万有引力定律;望远镜的发明极大地扩展了我们的视野,并引导我们对宇宙的理解逐渐走出太阳系,走出银河系,进入一个深远的空间。图1直观地显示了我们宇宙的宏伟,丰富的层次结构以及地球在宇宙中的微不足道的位置。 图1宇宙的层次结构 在理解宇宙的过程中,一个非常自然的问题是,宇宙中有哪些物质(物体)和多少物质?回答这个问题需要一个非常基本的技能。——给天体“称重”(测量质量)。但是天体是遥不可及的,它们如何衡量它们的质量呢?天文学家巧妙地想到利用天体的运动来推断质量,主要基于万有引力定律和牛顿第二运动定律。例如,在太阳系中,行星围绕太阳进行近似圆周运动,并且运动速度随着距太阳的距离的增加而减小,这与距离的平方根成反比,这是所描述的内容。按照开普勒第三定律。对太阳系行星运动的观测完全符合这一规则,如图2(a)所示。根据图中的值,我们可以简单地进行计算。例如,地球与太阳之间的距离是1个天文单位,大约1.5亿公里。绕太阳运动的速度大约是每秒30公里。我们可以得到阳光。质量约为2 x 1030千克。在太阳系中,我们自然会期待星系中的类似现象。唯一的区别是太阳可以用作太阳系中的点质量,而星系中的恒星将更广泛地分布。然而,观测结果是出乎意料的:天体围绕星系中心旋转的速度并不像太阳系中的距离那么慢(如图2(b)中的虚线所示),但是它越快转向外围。 (以绿点显示)!这给了我们一个启示,即在银河系的空间中可能存在一些非照明物质。虽然我们看不到它,但它会影响天体在重力作用下的移动。人们将这种想象中的物质称为暗物质。 图2太阳系周围太阳系速度与距离(a)之间的关系,天体旋转速度与M33星系中星系中心之间的关系(b) 说“孤独的牌不站立”,如果它只是一个单一的证据,那么赢得这封信是不够的。事实上,天文学家在许多天文观测中发现,需要额外的材料来解释,从大世界到小矮星系;方法不仅限于测量天体运动,人们也使用引力透镜。效果,星系计数等等。总而言之,现代天文观测告诉我们,宇宙中只有大约5%的成分是由原子,气体等构成的恒星,我们称之为普通物质。大约25%是上面提到的暗物质,大约70%是一种更神秘的暗能量,它驱动着宇宙的加速。我们的宇宙实际上笼罩在“黑暗中”。暗物质和暗能量的物理性质被称为新世纪物理学的“黑云”,理解它们可能会导致基础物理学的革命性突破。 二,暗物质是黑洞吗? 我们知道黑洞是一个具有非常强的引力场的物体。即使光线无法逃脱黑洞的引力,它也被称为黑洞。在观察中,我们还发现宇宙中有大大小小的黑洞,例如银河系中心有一个质量为四百万的大质量黑洞,以及激光干涉仪重力发现的引力波信号。波天文台是一颗星。直接证明存在优质黑洞。那么如果宇宙中有黑洞,它们就不会发光,你能解释暗物质现象吗? 确实,在早期,人们想象的暗物质是一个像黑洞一样的天体,不仅仅是一个黑洞,还有一些非常弱的天体。人们给这种类型的天体命名为“质量密集的密集晕”。天体,简称MACHO。 MACHO照明很弱或不发光,很难直接观察它们。天文学家发明了一种观察它们的方法。如果一个MACHO天体位于地球和恒星之间,它的引力会使恒星发出的星光偏转,产生一种称为微重力透镜的现象。 MACHO对象越多,这种微重力镜片事件就越频繁发生。通过一系列寻找微重力透镜的努力,已经发现观察到的微重力透镜事件率远非解释暗物质现象所需的MACHOO数量。因此,MACHO或黑洞基本上是不可行的(但目前这个问题还不能确定,因为任何观察都有一定的局限性,如果MACHO质量在一定范围内,它们仍然可能构成暗物质。但是,它应该是注意到这种可能性相对较低)。此外,天文观测表明,暗物质的物理性质应该与普通物质的物理性质不同,也就是说,它们不能由构成普通物质的原子组成,否则宇宙的外观将是完全的。与今天观察到的结果不同。 暗物质是新粒子吗? 如果暗物质不是黑洞,也不是由普通物质构成的任何非照明物体,那么最大的可能性是尚未发现的新粒子。普通物质主要由质子,中子和电子组成,或者更基本上由夸克和电子组成。此外,还有宇宙中稳定的光子和中微子。通过粒子对撞机和宇宙射线,还发现了少量的反物质粒子和各种不稳定的粒子。但是所有这些粒子都不符合天文观测所揭示的暗物质特性,因此暗物质很可能是某些或一些尚未被发现的新粒子。在理论物理学家眼中,这种新粒子是多种多样的。人们还给它们起了一个名为弱相互作用质量粒子的名称,称为WIMP。 弱相互作用是自然界的四种相互作用之一。典型的弱相互作用过程是中微子与物质的相互作用。弱相互作用是值得的。例如,中微子几乎可以在没有任何碰撞的情况下穿过整个可观测的宇宙。对暗物质进行天文观测的证据来自于引力相互作用,暗物质显然应该没有电磁相互作用和强烈的相互作用,否则我们应该能够轻易地看到它们发射电磁辐射或与物质碰撞。暗物质可能具有弱相互作用,这与所有当前观察结果一致。在这种情况下,我们很可能在实验室中检测暗物质,就像通过大型实验装置检测中微子一样。即使暗物质具有弱相互作用,这种相互作用的强度必须非常弱,因此检测暗物质是非常具有挑战性的,并且需要大规模,高精度的检测设施。当然,暗物质可能没有弱相互作用。在这种情况下,我们只能说,了解暗物质性质的唯一窗口也是关闭的,这是遗憾的。 科学家提出了几种检测WIMP暗物质粒子的方法。最直接的解决方案是检测暗物质粒子与普通物质粒子(如核子)之间的碰撞反应。这种碰撞就像打台球一样,但是我们不能直接看到“白球”的轨迹,而是需要被“白球”击中。推理中“彩球”的运动推断出“白球”的本质。该方法也称为直接检测。如果存在这样的碰撞反应,则可以观察到击中后核的运动,这可以通过电离,发光或加热来表现。目前,世界上正在或计划进行数十项暗物质直接检测实验。中国还在四川金平深度实验室,熊猫X和CDEX进行了两项直接检测实验。 第二种选择是通过高能粒子对撞机击出暗物质粒子。历史上有许多新粒子被粒子碰撞器发现,例如丁玉忠教授发现的J /ψ粒子和2012年大型强子对撞机中发现的“神粒子”——希格斯粒子。如果碰撞粒子的能量和数量足够,则有机会产生暗物质粒子。但是这种方法需要构造一种非常昂贵的大型粒子加速器。 第三种选择称为间接检测。理论上预期WIMP暗物质粒子可以自湮灭或衰变,并成为普通的物质粒子。这些粒子将在宇宙射线中混合,因此可以通过宇宙射线实验观察它们,以推断出暗物质粒子的特性。与前两种方法相比,这种方法更加间接,因为观察暗物质湮灭或衰变后留下的痕迹仍然不如直接探测。但是这三种选择中的每一种都有其自身的优势并相互补充。间接检测实验国际上有几个项目正在进行中。 2015年底,中国推出了暗空粒子探测卫星“倭空”。其主要科学目标是通过高精度观察宇宙射线揭示暗物质的特性。用于检测WIMP暗物质粒子的三种方法的示意图如图3所示。 图3用于检测WIMP暗物质的三种方法的示意图 4. LHAASO如何检测暗物质? 高海拔宇宙线观测站(LHAASO)是四川稻城建成的大型基础科学设施,是一个高海拔,大视场,平方公里和复合探测技术的宇宙射线和伽马射线天文台。 LHAASO通过观察由空气中形成的高能宇宙射线粒子级联产生的二次粒子来测量宇宙射线。空气淋浴的发展已显示出从大气顶部的增长和衰减模式。 LHAASO选择在海拔4,400米的高山上进行实验,这可以测量淋浴发展充足的阶段,这有助于进行准确的测量。 LHAASO使用三种不同类型的探测器来探测二次粒子,包括表面粒子探测阵列KM2A,覆盖面积为1.3平方公里,覆盖78,000平方米的水切伦科夫光探测阵列WCDA,以及20个广角大气切割。 Lenkov光学望远镜WFCTA。三种类型的探测器可以相互验证并相互补充,以实现宽能量,高精度的宇宙射线和伽马射线观测。 LHAASO拥有宽阔的视野,每时每刻可以覆盖15%的天空。随着地球的旋转,它几乎可以覆盖整个天体的北半部。 LHAASO计划于2021年完工。之前的1/4阵列将于2019年完成并投入使用.LHAASO预计将在宇宙射线起源和高能天体物理学研究方面取得突破。 LHAASO也将成为基于上述间接检测原理的暗物质粒子检测工具。 LHAASO主要通过观察伽马射线来探测暗物质。 LHAASO在探测暗物质方面的优势体现在两个方面。首先,能量水平高,LHAASO将能够观察到数百个GeV到100万GeV伽马射线,并且LHAASO在10,000 GeV以上的观测灵敏度将达到世界上最高水平。如果暗物质粒子位于如此高能量的区域,那么LHAASO将是世界上最好的探测器。第二个优点是大视野。虽然像银河系中心这样的地方最有可能是暗物质高度集中的地方,但我们并没有很好地掌握暗物质信号最强的地方(或最高的信噪比)。天心的银心也很强大。银核不是暗物质检测的首选。暗物质可以在银河系中形成大量的子结构,它们可以随机分布在不同的地方。如果探测器的视野足够大,则信号丢失的可能性显着降低。 LHAASO几乎覆盖了天体的整个北半部,这对暗物质探测非常重要。 暗物质检测是物理学领域最热门的问题之一。世界上有许多相关的实验。近年来,中国还在该领域进行了一系列实验,开展相关研究。天空中有“悟空”卫星,LHAASO在地面上进行实验,并在地面上进行金平实验。这些实验的一些结果已达到世界最高水平。希望在不久的将来,中国将能够在暗物质探测方面取得突破,并引领物理学的新方向。 资料来源:现代物理知识杂志 “现代物理知识杂志”由中国科学院高能物理研究所主办,是中国物理学科的中高级科学期刊。 银纳米粒子是具有特殊性质的材料,所述特性由在1-100nm范围内的所有三维空间中的银原子组成。它们具有优异的抗菌性能,广泛应用于人类生产和生活的各个领域。 提示:最近,微信公众账号信息流已经修改。每个用户都可以设置频繁的阅读订阅号码,该号码将显示为一张大卡片。因此,如果您不想错过文章“中国科学院之声”,您必须做到以下几点:进入“中国科学院之声”公共号码→点击右上角菜单。 →选择“设为星形”

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