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暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星(英文:Dark Matter Particle Explorer,縮寫:DAMPE)是*空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)中*立項(xiàng)研制的4顆科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星之一候址,是目前世界上觀測(cè)能段范圍寬吕粹、能量分辨率的暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星。
DAMPE是一個(gè)空間望遠(yuǎn)鏡岗仑,有效載荷質(zhì)量1410公斤匹耕,它可以探測(cè)高能伽馬射線、電子和宇宙射線荠雕。它由一個(gè)塑料閃爍探測(cè)器稳其、硅微條、鎢板酬桦、電磁量能器和中子探測(cè)器組成壹事。DAMPE的主要科學(xué)目標(biāo)是以更高的能量和更好的分辨率來測(cè)量宇宙射線中正負(fù)電子之比,以找出可能的暗物質(zhì)信號(hào)桩眼。它也有很大潛力來加深人類對(duì)于高能宇宙射線的起源和傳播機(jī)制的理解责什,也有可能在高能γ射線天文方面有新發(fā)現(xiàn)。 [1]
2015年12月17日8時(shí)12分袄碱,我國(guó)在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長(zhǎng)征二號(hào)丁運(yùn)載火箭成功將暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星“悟空”發(fā)射升空啰蕴。它具有能量分辨率高、測(cè)量能量范圍大和本底抑制能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)存学,將中國(guó)的暗物質(zhì)探測(cè)提升至新的水平。 [2]
中科院紫金山天文臺(tái)2016年12月29日通報(bào)凄跑,暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星“悟空”近兩個(gè)月內(nèi)頻繁記錄到來自超大質(zhì)量黑洞CTA 102的伽馬射線爆發(fā)优生。這是暗物質(zhì)衛(wèi)星科研團(tuán)隊(duì)自衛(wèi)星上天后*發(fā)布觀測(cè)成果。“悟空”觀測(cè)到的現(xiàn)象表明炭刺,黑洞CTA 102正經(jīng)歷新一輪活躍期泪确。
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暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星(5張)
“暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星”計(jì)劃屬于*“空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)”,由*紫金山天文臺(tái)暗物質(zhì)與空間天文研究部煮落、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)敞峭、*近代物理研究所和*高能物理研究所等合作研發(fā)踊谋。 [6]
“悟空”是目前世界上觀測(cè)能段范圍寬、能量分辨率優(yōu)的暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星旋讹,超過上所有同類探測(cè)器殖蚕。它將在太空中開展高能電子及高能伽馬射線探測(cè)任務(wù),探尋暗物質(zhì)存在的證據(jù)沉迹,研究暗物質(zhì)特性與空間分布規(guī)律睦疫。
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主要目的:尋找暗物質(zhì)粒子,研究暗物質(zhì)特性與空間分布規(guī)律鞭呕,探尋宇宙射線起源并觀測(cè)高能伽馬射線蛤育,有望在物理學(xué)與天文學(xué)前沿帶來新的重大突破。 [7]
主要本領(lǐng):測(cè)量高能粒子的能量葫松、方向和電荷瓦糕,以及鑒別粒子的種類。
主要構(gòu)成:塑閃陣列探測(cè)器(PSD)腋么,硅陣列探測(cè)器(STK)咕娄、電磁量能器(BGO)、中子探測(cè)器佩嘀。
PSD用作反符合易祖,由兩層塑料閃爍體條組成;STK由6個(gè)徑跡雙層沫杜,每個(gè)由正交擺放的兩個(gè)單面硅條組成悍写;有三層鎢板厚度分別為1cm、2mm垛岛、2mm暴艘,,插在硅微條的第2限剩、3柬沾、4層前面,用作光子轉(zhuǎn)換魂麦;BGO有14層住秉,每層22根,相鄰兩層正交排列钧失,用來測(cè)量射線的能量睹傻;中子探測(cè)器加在量能器的底部。BGO量能器和STK總共大約33個(gè)輻射長(zhǎng)度哼转,是空間里深的量能器明未。 [1]
各自作用:
塑料閃爍體探測(cè)器:區(qū)分電荷。電子和光子打進(jìn)來,是不同的趟妥。
Si陣列探測(cè)器:測(cè)量宇宙線的方向和電荷猫态。
BGO量能器:較為重要,測(cè)量宇宙線的能量披摄。
中子探測(cè)器:區(qū)分質(zhì)子和電子亲雪。
同時(shí),不同能量產(chǎn)生的簇射的大小也不同行疏。
DAMPE可以以*的靈敏度和能量范圍探測(cè)電子匆光,光子和宇宙射線(質(zhì)子和重離子)。對(duì)于電子和光子酿联,探測(cè)范圍是5GeV-10TeV终息,在800GeV的能量分辨率為1%。對(duì)于宇宙射線贞让,探測(cè)范圍為100GeV-100TeV能區(qū)艺滑,在800GeV的能量分辨率優(yōu)于40%。對(duì)于電子和光子砰染,幾何因子是約0.3 mSR跳犹,對(duì)于宇宙射線大約0.2 mSR。100 GeV的角分辨率為0.1°标增。 [1]
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一是暗物質(zhì)間接探測(cè)玻冗,也是主要的;二是尋找宇宙射線的起源杠卜;三是伽馬射線天體物理逐枢。 [8]
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悟空(6張)
1.什么是高能宇宙射線?
指的是來自宇宙中具有相當(dāng)大能量的帶電粒子流坠屹,1912年由德國(guó)科學(xué)家韋克多?漢斯發(fā)現(xiàn)遍跌。他制作了一個(gè)電離室,用于測(cè)量空氣中的電離度(空氣中的帶電粒子數(shù)量)兵扭。同時(shí)期也有其他的科學(xué)家制作電離室哑立,漢斯的創(chuàng)新之處在于,他將電離室放在熱氣球上脾鸠,這樣在放飛前杰捂,能測(cè)量出地面的電離度,放飛后棋蚌,能測(cè)量出不同海拔高度的電離度琼娘。而漢斯的測(cè)量結(jié)果顯示:海拔越高,電離度越大附鸽。
這說明帶電粒子并不是地球產(chǎn)生的,否則不會(huì)越遠(yuǎn)離地面,電離度越高坷备。也就是說熄浓,宇宙空間會(huì)產(chǎn)生帶電粒子,再打到地球上省撑。
宇宙線產(chǎn)生后赌蔑,在銀河系傳播的過程中,有一定的幾率逃脫銀河系竟秫,跑到宇宙空間去娃惯,這樣宇宙線的能量就會(huì)越來越低。但實(shí)際上宇宙線的能量是比較穩(wěn)定的肥败。這是因?yàn)橛钪婢€有源頭罗迎,宇宙線的源頭一般認(rèn)為是超新星的爆發(fā)。當(dāng)超新星爆炸的時(shí)候屑淌,會(huì)將自身的高能量粒子秒足,例如氫核、氦核荞狠,以非常高的速度拋射到星系空間中寿伊。
2.為什么測(cè)量高能宇宙射線有可能發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)?
宇宙線的源頭一般認(rèn)為是超新星爆發(fā)告锅,而如果暗物質(zhì)存在的話揽此,暗物質(zhì)湮滅的時(shí)候產(chǎn)生的宇宙線,就成為了宇宙線的額外來源守迫,這時(shí)候探測(cè)到的宇宙線會(huì)不同于標(biāo)準(zhǔn)模型艘赂,多出來的一部分可能來源于暗物質(zhì)湮滅或者衰變,對(duì)這多出的一部分進(jìn)行探測(cè)殿恤,就是暗物質(zhì)的間接探測(cè)盲趟。由諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者丁肇中主持的AMS項(xiàng)目中的暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星AMS-2,就是應(yīng)用的這一原理慎陵。我國(guó)的暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星也是一個(gè)宇宙線探測(cè)器眼虱,就是應(yīng)用這類機(jī)制來探測(cè)暗物質(zhì)。 [8]
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空間探測(cè)宇宙線主要測(cè)量宇宙線粒子的電荷席纽、能量和入射方向捏悬,其中測(cè)量電荷包括電荷的大小與正負(fù)。電荷正負(fù)的測(cè)量是困難的润梯,必須借助于磁場(chǎng)才能實(shí)現(xiàn)过牙。磁譜儀可以測(cè)量宇宙線在其磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn),進(jìn)而判定入射宇宙線的電荷纺铭。磁譜儀造價(jià)昂貴寇钉,現(xiàn)在仍在空間運(yùn)行的探測(cè)器只有AMS-02刀疙。Fermi-LAT、CALET和DAMPE這3個(gè)探測(cè)器都利用量能器來測(cè)量宇宙線的能量扫倡,而不測(cè)量電荷的正負(fù)谦秧。DAMPE即“悟
結(jié)構(gòu)示意圖(2張)
空”是*1個(gè)空間高能粒子探測(cè)器,經(jīng)過征名活動(dòng)撵溃,終命名為“悟空”疚鲤,寓意用《西游記》中火眼金睛的悟空尋找難以察覺的暗物質(zhì)存在的證據(jù)。“悟空”已于2015年2月17日發(fā)射升空挡医,是世界上迄今為止觀測(cè)能段范圍寬溢扳、能量分辨率的空間探測(cè)器,其觀測(cè)能段是空間站阿爾法磁譜儀的10倍训癌,能量分辨比同類探測(cè)器高3倍以上祠乔。目前在軌運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定,數(shù)據(jù)*地獲取了大量數(shù)據(jù)胯夏。DAMPE是以中國(guó)為主锡疗,瑞士和意大利參與共同研發(fā)完成的。DAMPE主要探測(cè)電子宇宙射線豆出、高能伽瑪射線和高達(dá)Pe V的核素宇宙射線囊嘲。它具有能量分辨率高,測(cè)量能量范圍大和本底抑制能力強(qiáng)三大優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示吵淌。DAMPE的性能優(yōu)勢(shì)和它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊密相關(guān)锯帚。暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星的探測(cè)器由4部分組成,分別是:塑閃陣列探測(cè)器被处、硅陣列探測(cè)器楞播、BGO量能器以及中子探測(cè)器。
塑閃陣列探測(cè)器的主要功能是測(cè)量入射宇宙線的電荷以區(qū)分不同核素肢簿,也有可區(qū)分高能電子和伽瑪射線靶剑。高能帶電粒子在穿過塑料閃爍體時(shí),通過電離和發(fā)射輻射(光子)的方式損失能量池充。沉積的能量轉(zhuǎn)化為熒光桩引,被兩端的光電倍增管轉(zhuǎn)化為電信號(hào),經(jīng)打拿級(jí)放到后讀出收夸。塑閃陣列探測(cè)器主要由蘭州近代物理研究所負(fù)責(zé)研制坑匠。硅陣列探測(cè)器的主要功能是測(cè)量入射宇宙線粒子的方向和電荷。硅陣列探測(cè)器由6大層硅微條探測(cè)器上下層疊排布而成卧惜。同時(shí)在第1/2厘灼、2/3和3/4層之間各有一塊鎢板。高能光子在穿過鎢板時(shí)以較高的概率轉(zhuǎn)化為正負(fù)電子對(duì)咽瓷。所以光子和電子在量能器中的信號(hào)是*的设凹。如果在*層沒有記錄到帶電粒子的信號(hào),但在下面幾層記錄到信號(hào),則入射粒子為伽瑪射線舰讹。硅陣列探測(cè)器是由*高能物理研究所、日內(nèi)瓦大學(xué)闪朱、佩魯賈大學(xué)等單位共同研制的借睬。BGO量能器是探測(cè)器核心的組成部分,其功能是測(cè)量宇宙線粒子的能量,并可區(qū)分宇宙線中電子與質(zhì)子乃衫。BGO晶體是一種無色透明的沒有激活劑的純無機(jī)閃爍體,是核物理實(shí)驗(yàn)中常用的一種閃爍體材料。暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星所使用的BGO晶體是由上海硅酸鹽研究所專門設(shè)計(jì)開發(fā)的腮哩。BGO量能器的數(shù)據(jù)讀出系統(tǒng)有高達(dá)8萬路的電子學(xué)信號(hào)通道(也就是整個(gè)探測(cè)器有8萬路電子信號(hào)輸出额神;而且這8萬條電子學(xué)信號(hào)通道要在1 m3這樣小的范圍內(nèi)布局完成,難度很大)腻酱。 [2]
中子探測(cè)器測(cè)量的是宇宙線粒子在探測(cè)器上面3層中產(chǎn)生的次級(jí)中子惑膀。高能電子主要是電磁簇射,產(chǎn)生的中子數(shù)目很少烧歹,但是質(zhì)子和其他核素還會(huì)發(fā)生強(qiáng)子簇射贼么,從而產(chǎn)生大量的高能中子。根據(jù)這種效應(yīng),可以進(jìn)一步區(qū)分宇宙線的電子和質(zhì)子霸拦。中子探測(cè)器主要由*紫金山天文臺(tái)負(fù)責(zé)研制
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