《【基金標(biāo)書(shū)】2010CB833000-暗物質(zhì)暗能量的理論研究和實(shí)驗(yàn)預(yù)研》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《【基金標(biāo)書(shū)】2010CB833000-暗物質(zhì)暗能量的理論研究和實(shí)驗(yàn)預(yù)研（22頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

項(xiàng)目名稱(chēng)： 暗物質(zhì)暗能量的理論研究和實(shí)驗(yàn)預(yù)研首席科學(xué)家： 吳岳良 中國(guó)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(mén)： 中國(guó)科學(xué)院一、研究?jī)?nèi)容擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題和主要研究?jī)?nèi)容包括： 本項(xiàng)目圍繞暗物質(zhì)和暗能量本質(zhì)開(kāi)展理論研究和實(shí)驗(yàn)探測(cè)的可行性分析, 充分利用已有的研究基礎(chǔ)，從以下五個(gè)方面開(kāi)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(duì)稱(chēng)模型及其變種和推廣模型，額外維度模型，Little Higgs 模型，各種類(lèi)型的 Hidden Sector模型，標(biāo)準(zhǔn)模型的最小推廣（多個(gè) Higgs模型）中 WIMP暗物質(zhì)的湮滅及衰變過(guò)程的性質(zhì)。在滿(mǎn)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(hào)特點(diǎn)，為空間間接探測(cè)實(shí)驗(yàn)提供理論依據(jù)。同時(shí)重點(diǎn)關(guān)注未來(lái)實(shí)驗(yàn)可能觀測(cè)到的高能中微子及光子信號(hào)。在對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)結(jié)果的研究中,由于PAMELA沒(méi)有觀測(cè)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(duì)稱(chēng)模型帶來(lái)了一定的困難。對(duì)此，需要對(duì)模型的參數(shù)空間進(jìn)行更詳細(xì)的研究。同時(shí)，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(cè)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(gè)數(shù)量級(jí)。如何構(gòu)造模型能同時(shí)滿(mǎn)足這兩方面的要求是研究的重點(diǎn)之一，將首先研究已知的可能解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的一些機(jī)制，如量子索末菲效應(yīng)和共振態(tài)增強(qiáng)效應(yīng)等。尋找和發(fā)展更有效探測(cè)暗物質(zhì)的方法。通過(guò)對(duì)自旋相關(guān)與自旋無(wú)關(guān)的散射截面確定暗物質(zhì)的基本屬性。研究 DAMA實(shí)驗(yàn)的正結(jié)果和其它實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果，探尋可能存在的統(tǒng)一解釋目前所有直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的暗物質(zhì)－核子相互作用機(jī)制。研究非彈性散射和測(cè)量?jī)x器靶物質(zhì)的相關(guān)性等。 綜合正負(fù)電子對(duì)撞機(jī) 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(shí)驗(yàn)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(yàn)過(guò)程，對(duì)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(yùn)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(jī)會(huì)。LHC 上 neutralino的產(chǎn)生及其級(jí)聯(lián)衰變過(guò)程已經(jīng)有大量的工作。將運(yùn)用類(lèi)似的方法研究其它類(lèi)型的暗物質(zhì)與新粒子在 LHC上的產(chǎn)生信號(hào)。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(shí)驗(yàn)探測(cè)的基礎(chǔ)上，基于對(duì)稱(chēng)性等原理和量子場(chǎng)論，建立超越標(biāo)準(zhǔn)模型的暗物質(zhì)理論，給實(shí)驗(yàn)測(cè)量提供理論依據(jù)，并接受實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)。2、暗物質(zhì)的空間探測(cè)實(shí)驗(yàn)預(yù)研本項(xiàng)目同時(shí)觀測(cè)高能電子及伽瑪射線，不僅對(duì)探測(cè)暗物質(zhì)，同時(shí)對(duì)解決宇宙線起源和加速機(jī)制等科學(xué)問(wèn)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(cè)可以研究近地所有可能的高能電子源。通過(guò)高能量分辨觀測(cè)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(jī)制。對(duì)本課題來(lái)說(shuō)，要解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是高能電子及伽瑪射線的空間觀測(cè)技術(shù)。由于高能電子與大氣的相互作用，地面無(wú)法觀測(cè)，必須要到空間才能進(jìn)行觀測(cè)。空間高能電子及伽瑪射線觀測(cè)中一個(gè)最關(guān)鍵的問(wèn)題是本底。如果不采用磁場(chǎng)，或磁場(chǎng)強(qiáng)度不夠的話(huà)，高能電子與高能質(zhì)子很難區(qū)分。根據(jù)目前的觀測(cè)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(cè)到電子及伽瑪射線是本課題要解決的一個(gè)主要問(wèn)題。主要研究?jī)?nèi)容包括高能電子及伽瑪射線空間觀測(cè)技術(shù)及衛(wèi)星方案及原理樣機(jī)研制。通常高能電子及伽瑪射線空間觀測(cè)需要很大的衛(wèi)星資源（重量、功耗） ，顯然不適合我國(guó)的衛(wèi)星觀測(cè)。所以觀測(cè)方法的研究是一個(gè)重要內(nèi)容，采用合適的觀測(cè)方法可以節(jié)省儀器重量和功耗。同時(shí)積極參與國(guó)際合作，對(duì)國(guó)外的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和解釋。本項(xiàng)目有如下創(chuàng)新之處：（1）精確測(cè)量高能電子能譜（排除某些可能的模型） 。精確測(cè)量從低能（約 5GeV）到高能（約 10TeV）的電子能譜，這樣的測(cè)量將最終精確地測(cè)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(duì)判定電子來(lái)源至關(guān)重要，因?yàn)榘滴镔|(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(cè)量高能伽瑪射線區(qū)分 ATIC電子的來(lái)源. 由于銀河系對(duì)于伽瑪射線信號(hào)銀河系是透明的，探測(cè)伽瑪射線則直接反應(yīng)了其來(lái)源的信息。這樣，伽瑪射線的測(cè)量就不像電子那樣只能測(cè)量地球附近的流強(qiáng)，而可以測(cè)量來(lái)自任何地方的信號(hào)，這對(duì)于暗物質(zhì)探測(cè)有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。所以通過(guò)觀測(cè)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(cè)量湮滅線作為明確的暗物質(zhì)信號(hào)。精確測(cè)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(cè)量電子的能譜外，對(duì)于伽馬射線能譜的精確測(cè)量甚至更為重要。尤其是，其可能探測(cè)到暗物質(zhì)湮滅的線形能譜，這將是暗物質(zhì)湮滅信號(hào)存在的決定性的證據(jù)。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)和研制的高能量分辨和高探測(cè)效率探測(cè)器，一方面，對(duì)檢驗(yàn)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果包括 ATIC上觀測(cè)到的“超”極為重要，另一方面，對(duì)探測(cè)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(jià)值。3、暗物質(zhì)地下探測(cè)的前沿技術(shù)預(yù)研暗物質(zhì)的探測(cè)是一個(gè)重要的物理課題，同時(shí)也是一個(gè)需要進(jìn)行長(zhǎng)期研究的課題。暗物質(zhì)直接探測(cè)的第一個(gè)目標(biāo)是探測(cè)到可能是暗物質(zhì)的信號(hào)，然后需要確定這個(gè)信號(hào)就是暗物質(zhì)，或者它可能是來(lái)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(cè)器來(lái)完成。本課題的主要研究?jī)?nèi)容將是綜合分析世界上目前已有的各類(lèi)探測(cè)器和探測(cè)方法，研制出下一步高靈敏度、低本底的深埋探測(cè)器，為實(shí)現(xiàn)直接探測(cè)暗物質(zhì)和研究暗物質(zhì)的性質(zhì)做準(zhǔn)備，設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)方案。針對(duì)地下探測(cè)的前沿和有特色的技術(shù)預(yù)研包括：液氬探測(cè)器及探測(cè)技術(shù)的研究；過(guò)熱液滴的氣泡探測(cè)技術(shù)研究；CaF2（Eu） /BaF2 復(fù)合晶體探測(cè)技術(shù)研究。根據(jù)不同探測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)，優(yōu)化探測(cè)器的規(guī)模和經(jīng)費(fèi)，制作幾公斤到百公斤以下的探測(cè)器模型進(jìn)行不同類(lèi)型的探測(cè)器研究，在經(jīng)過(guò)不同模型探測(cè)器各方面性能的比較后，給出暗物質(zhì)探測(cè)的下一步探測(cè)方案。液氬是比液氙更早發(fā)展的一種探測(cè)器，只是用于暗物質(zhì)的探測(cè)晚了一些時(shí)候，目前國(guó)際上液氬的探測(cè)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(diǎn)是 39Ar的本底高。兩方面綜合起來(lái)，它仍然是未來(lái)很有潛力的探測(cè)技術(shù)發(fā)展方向。我們對(duì)液氬探測(cè)器及關(guān)鍵探測(cè)技術(shù)的研究包括：（1）探索厚 GEM和微針探測(cè)器在 LAr中的工作可能； 達(dá)到單電子測(cè)量，放大倍數(shù)大于 106，時(shí)間分辨好于 1ns。LAr 探測(cè)器的研究包括：（1）測(cè)量?,n,?在 LAr中的初級(jí)光子、次級(jí)光子和電子的數(shù)目比；（2）測(cè)量?,n,?在 LAr中的初級(jí)光子、次級(jí)光子的時(shí)間分布；（3）在 LAr中?,n,?作用的能量沉積（MC 計(jì)算）與測(cè)量之比估算重粒子的等效沉積能量系數(shù)。過(guò)熱液滴技術(shù)用于暗物質(zhì)的探測(cè)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(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)γ,e不靈敏,研制成本低。目前國(guó)際上PICASSO、SIMPLE和FERMILAB 3個(gè)暗物質(zhì)科研團(tuán)隊(duì)利用該技術(shù)來(lái)探測(cè)暗物質(zhì)，中國(guó)原子能科學(xué)研究院目前擁有這種技術(shù)的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。本項(xiàng)目將綜合分析世界上目前已有的過(guò)熱液滴探測(cè)器，選擇一種最行之有效的過(guò)熱液滴，研制出高靈敏度、低本底的深地下過(guò)熱液滴氣泡探測(cè)器，其主要研究?jī)?nèi)容包括：（1）通過(guò)MC計(jì)算在過(guò)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(cè)器對(duì)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(cè)器模型，進(jìn)行γ,n,e,α在探測(cè)器中信號(hào)的前期研究，并為音頻測(cè)量粒子的技術(shù)和讀出系統(tǒng)研究提供探測(cè)器模型。 （3）選擇合適的材料、容器，制作升級(jí)探測(cè)器單元，幾十～百升量級(jí)探測(cè)器陣列。CaF2（ Eu）/BaF2 復(fù)合晶體探測(cè)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(wú)關(guān)作用截面，此探測(cè)器既探測(cè) DM 自旋相關(guān)的事例又探測(cè) DM 自旋無(wú)關(guān)的事例，并且其將觀測(cè) DM 的所有信號(hào)：核反沖信號(hào) + 電子反沖信號(hào) + 電磁輻射信號(hào)（e-, r, x-ray） ，特別是從自旋相關(guān)角度來(lái)觀測(cè) DM 的年調(diào)制，既尋找 WIMP 存在的證據(jù)，又將檢驗(yàn) DAMA 的結(jié)果。CaF2（ Eu）/ BaF2 在低能區(qū)的優(yōu)勢(shì)可互補(bǔ)，并將可達(dá)到低的探測(cè)閾能。CaF2（ Eu）/ BaF2 能達(dá)到低放射性，將來(lái)都較易擴(kuò)大到大規(guī)模，并且長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定。研究?jī)?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(cè)量裝置和讀出系統(tǒng)，進(jìn)行探測(cè)器和數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的調(diào)試，確定相應(yīng)運(yùn)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(cè)器陣列的建造和主、被動(dòng)屏蔽的建造。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)積累，獲得包括：探測(cè)閾能，能量分辨率、DM 探測(cè)靈敏度，本底水平，等各項(xiàng)參數(shù)。為整個(gè)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)和依據(jù)。在進(jìn)行探測(cè)器預(yù)研的同時(shí)， （1）我們同時(shí)跟蹤國(guó)際上最新的 WIMP 直接探測(cè)手段（比如 CF4 氣體 TPC） ，比較這些探測(cè)手段的可行性和靈敏度，研究其關(guān)鍵技術(shù)的難點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)方法。 （2）參考國(guó)際上各種相關(guān)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中奇異事例的存在性。4、暗能量的理論研究和地面探測(cè)方案預(yù)研充分利用最新天文觀測(cè)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(dòng)力學(xué)性質(zhì)不同的特點(diǎn)，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(cè)的方法。 利用觀測(cè)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(qiáng)引力透鏡數(shù)據(jù)等天文觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)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(wèn)題是找出一種和模型無(wú)關(guān)的方法,如利用分段參數(shù)化方法等.因?yàn)樵诤苄〖t移范圍內(nèi),暗能量的狀態(tài)參數(shù)總可以看成是一個(gè)常數(shù),所以分段參數(shù)化方法是最好的和模型無(wú)關(guān)的分析方法.在對(duì)暗能量的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行分段參數(shù)化時(shí),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(diǎn)化方法所需要的時(shí)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(jì)方法來(lái)處理觀測(cè)數(shù)據(jù)。同時(shí)研究暗能量狀態(tài)參數(shù)對(duì)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(cè)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(lái)擬合這些觀測(cè)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(wèn)題之一。由于上述這些天文觀測(cè)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(yùn)動(dòng)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(mǎn)足的動(dòng)力學(xué)方程和愛(ài)因斯坦引力中的物質(zhì)微擾所滿(mǎn)足的動(dòng)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(yùn)動(dòng)學(xué)信息,它們給出的物質(zhì)微擾方面的動(dòng)力學(xué)信息是不同的.我們可以結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)信息來(lái)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(dòng)力學(xué)方程可以用簡(jiǎn)單的增長(zhǎng)因子來(lái)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(zhǎng)因子，所以在利用大尺度結(jié)構(gòu)及星系團(tuán)數(shù)據(jù)來(lái)擬合動(dòng)力學(xué)信息時(shí)可以給出增長(zhǎng)因子的信息，從而用來(lái)區(qū)分暗能量模型和修改的引力模型。開(kāi)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(cè)數(shù)據(jù)相符的暗能量模型是我們的研究重點(diǎn)。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(duì)論和宇宙學(xué)原理的基礎(chǔ)上推出來(lái)的。在宇宙學(xué)尺度上廣義相對(duì)論沒(méi)有得到檢驗(yàn)，宇宙中的非均勻性的效應(yīng)對(duì)宇宙加速膨脹是否有影響，這些問(wèn)題明顯地要求進(jìn)一步的研究。因此在修改的廣義相對(duì)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(lái)研究宇宙的加速膨脹問(wèn)題也是我們的主要研究?jī)?nèi)容。宇宙學(xué)新探子的理論研究。暗能量 TASK FORCE（DETF）評(píng)估了目前比較成熟的和未來(lái)幾年可能實(shí)施的觀測(cè)宇宙暗能量的實(shí)驗(yàn)，指出有四類(lèi)天文觀測(cè)將對(duì)暗能量的研究起到重要的作用：超新星， BAO ,星系團(tuán)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(cè)宇宙暗能量的新實(shí)驗(yàn)方式，為開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗(yàn)做好理論準(zhǔn)備，起到理論先行的作用。 對(duì)我國(guó)未來(lái)暗能量探測(cè)的可能方案進(jìn)行研究，著重研究暗能量探測(cè)的基本原理和相關(guān)的科學(xué)問(wèn)題，特別是對(duì)在南極 Dome A 或青藏高原建造大型寬視場(chǎng)光學(xué)／近紅外望遠(yuǎn)鏡以及參與國(guó)外相關(guān)項(xiàng)目等暗能量探測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行研究， 探索不同的設(shè)計(jì)方案，預(yù)測(cè)其觀測(cè)能力，為我國(guó)暗能量探測(cè)項(xiàng)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(duì)它的探測(cè)主要是通過(guò)其對(duì)宇宙演化中一些現(xiàn)象的影響來(lái)進(jìn)行。目前提出的測(cè)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(tuán)計(jì)數(shù)、ISW 效應(yīng)、強(qiáng)引力透鏡、星系相對(duì)年齡等等多種不同的效應(yīng)，而使用的觀測(cè)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(cè)光和光譜等不同方式。我們將對(duì)運(yùn)用這些不同方法探測(cè)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(cè)和檢驗(yàn)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(kāi)來(lái)。但是，在修改引力模型中結(jié)構(gòu)的增長(zhǎng)過(guò)程將有所不同，通過(guò)對(duì)增長(zhǎng)因子的測(cè)量可以將其區(qū)分開(kāi)來(lái)。通過(guò)綜合運(yùn)用引力透鏡和本動(dòng)速度等可以檢驗(yàn)這一性質(zhì)，這也是對(duì)引力理論的一個(gè)重要檢驗(yàn)。對(duì)于觀測(cè)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(gè)非常大的密度較低區(qū)域的中心，那么也有可能會(huì)觀測(cè)到加速膨脹現(xiàn)象。對(duì)于這種可能性，除了進(jìn)一步觀測(cè)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(yàn)。最后，暗能量探測(cè)設(shè)備在其它科學(xué)上也會(huì)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(cè)方式與暗能量探測(cè)有共同之處，也有不同之處，為了使探測(cè)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(cè)性能的預(yù)測(cè)和方案優(yōu)化。暗能量探測(cè)裝置的設(shè)計(jì)存在多種可能性，有許多問(wèn)題在制訂基本方案時(shí)必須考慮。例如，望遠(yuǎn)鏡的口徑，視場(chǎng)，巡天方式，測(cè)光波段的選取，光譜的分辨率選擇等。要回答以上這些問(wèn)題，必須考慮不同暗能量觀測(cè)的需求。例如，弱引力透鏡觀測(cè)中，引力透鏡產(chǎn)生的剪切(shear) 是通過(guò)平均星系的指向而測(cè)定的，星系本身的指向是隨機(jī)的，因此為了提高精度，需要盡可能觀測(cè)到較暗的星系，提高單位面積的星系數(shù)量，以降低隨機(jī)噪聲，同時(shí)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(cè)中，星系的測(cè)光紅移精度對(duì)暗能量的限制也有影響，總的精度還取決于觀測(cè)的天區(qū)面積。 類(lèi)似的，對(duì)于超新星、重子聲波振蕩、星系團(tuán)計(jì)數(shù)等，對(duì)這些基本參數(shù)也有不同的要求，因此存在對(duì)觀測(cè)方案進(jìn)行優(yōu)化的問(wèn)題。 這一問(wèn)題的復(fù)雜性還在于，不同觀測(cè)的組合對(duì)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(cè)進(jìn)行組合，可以明顯降低測(cè)光紅移引起的誤差。又如，如果儀器同時(shí)具有測(cè)光和光譜觀測(cè)能力，可以利用光譜觀測(cè)的一個(gè)小樣本作為測(cè)光紅移觀測(cè)的訓(xùn)練樣本，從而提高測(cè)光紅移的測(cè)量精度。此外，針對(duì)不同的暗能量模型，其最優(yōu)觀測(cè)也是不同的。因此，在優(yōu)化過(guò)程中也必須注意其性能具有較廣的適應(yīng)性。 我們計(jì)劃對(duì)不同的暗能量觀測(cè)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(cè)設(shè)備基本方案及其觀測(cè)方法提供科學(xué)依據(jù)。5、暗物質(zhì)噸級(jí)液氙探測(cè)器的預(yù)研如果暗物質(zhì)是 WIMPs 的話(huà)，應(yīng)該可以通過(guò)直接探測(cè)的方法來(lái)找到。其中要克服的難點(diǎn)就是探測(cè)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(lái)進(jìn)行分辨。因此大質(zhì)量探測(cè)器和本底的消除和辨別是兩個(gè)重要的實(shí)驗(yàn)研究?jī)?nèi)容。大質(zhì)量的探測(cè)器（噸級(jí)）的建造沒(méi)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(cè)器建造中參與了全過(guò)程， 因此有豐富的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。大質(zhì)量的探測(cè)器需要一個(gè)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(jí)液氙探測(cè)器的預(yù)研，我們計(jì)劃研制一個(gè)新型的 25公斤的“二相型氙”探測(cè)器，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)建造一個(gè) 200公斤的液氙探測(cè)器。這個(gè)探測(cè)器和目前世界上最大的、在意大利運(yùn)行的液氙探測(cè)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(cè)器的設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行的全過(guò)程，并起了重要的骨干作用。這個(gè) 200公斤的探測(cè)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(hào)采集、數(shù)據(jù)分析等和噸級(jí)探測(cè)器基本相同。大質(zhì)量的探測(cè)器對(duì)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(lái)源：有宇宙線而產(chǎn)生的本底，有探測(cè)器周?chē)奈矬w，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(cè)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(shí)驗(yàn)室。PMT 本身的放射性是個(gè)重要的問(wèn)題, 本項(xiàng)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(lái)建造。此外，大質(zhì)量的探測(cè)器本身就能對(duì)放射性作有效屏蔽。如何有效的降低探測(cè)器、探測(cè)器周?chē)奈矬w，以及環(huán)境中的放射性本底，是探測(cè)微弱信號(hào)的實(shí)驗(yàn)中很重要的一環(huán)。因此對(duì)低本底探測(cè)器和測(cè)量方法的研究，實(shí)驗(yàn)中所使用的一切相關(guān)設(shè)備的材料放射性本底的檢測(cè)，根據(jù)放射性檢測(cè)來(lái)選取合適的材料，設(shè)計(jì)更好的防輻射的屏蔽系統(tǒng)，都對(duì) WIMPs的測(cè)量有很大的促進(jìn)作用。二、預(yù)期目標(biāo)本項(xiàng)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(shí)驗(yàn)預(yù)研的作用，強(qiáng)調(diào)理論研究與實(shí)驗(yàn)探測(cè)設(shè)計(jì)相結(jié)合和多學(xué)科交叉融合的優(yōu)勢(shì)，為開(kāi)展對(duì)暗物質(zhì)的間接和直接探測(cè)提供可靠的物理依據(jù)和可行的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及有效的探測(cè)方案，推進(jìn)我國(guó)空間衛(wèi)星的天體粒子物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、國(guó)家深部地下實(shí)驗(yàn)室（如：四川錦屏二級(jí)水電站深覆蓋層隧洞可建成世界上最埋深地下實(shí)驗(yàn)室） ，南極 Dome A地面天文望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)實(shí)驗(yàn)基地和的建設(shè)。 五年預(yù)期目標(biāo): 1. 完成針對(duì) PAMELA/ATIC/Fermi和 DAMA以及其它可能的新實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)探測(cè)結(jié)果的理論機(jī)制。完成對(duì)一類(lèi)典型暗物質(zhì)模型（包括多希格斯模型）的暗物質(zhì)存在機(jī)制及參數(shù)空間的完整分析，給實(shí)驗(yàn)探測(cè)和設(shè)計(jì)提供物理基礎(chǔ)和理論依據(jù)。結(jié)合實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，基于對(duì)稱(chēng)性等基本原理和量子場(chǎng)論，建立一個(gè)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(guò)國(guó)際合作，獲得最新觀測(cè)數(shù)據(jù)尋找暗物質(zhì)粒子存在的證據(jù)。長(zhǎng)期目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)精細(xì)的高能電子和伽瑪射線探測(cè)器進(jìn)行空間觀測(cè)，補(bǔ)充 AMS在高能伽瑪及電子探測(cè)方面的弱點(diǎn)，采用新的方法來(lái)觀測(cè)高能電子和伽瑪射線。通過(guò)觀測(cè)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(lái)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(xiàng)目期間的目標(biāo)是完成該探測(cè)器的原理樣機(jī)。3. 完成基于模型液氬探測(cè)器的研究、過(guò)熱液滴氣泡探測(cè)器的研究、CaF2（ Eu）/BaF2 復(fù)合晶體探測(cè)器的研究。根據(jù)不同探測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)，綜合考慮，優(yōu)化探測(cè)器的規(guī)模和經(jīng)費(fèi)，制作幾公斤到百公斤以下的探測(cè)器模型進(jìn)行不同類(lèi)型的探測(cè)器研究，一旦能夠明確下一步探測(cè)器的方案，盡快并且有效的集中人力和經(jīng)費(fèi)進(jìn)入到目標(biāo)探測(cè)器的研究中去。在經(jīng)過(guò)不同模型探測(cè)器各方面性能的比較后，給出暗物質(zhì)探測(cè)的下一步探測(cè)方案。4. 完成一個(gè) 25 公斤液氙探測(cè)器(CXO-25)的建造和地下運(yùn)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(jì)建造一個(gè) 200 公斤(CXO-200)的液氙探測(cè)器。進(jìn)一步完成噸級(jí) LXe暗物質(zhì)探測(cè)方案的設(shè)計(jì)，準(zhǔn)備工程初步方案；5. 利用觀測(cè)數(shù)據(jù)研究暗能量的性質(zhì)，包括利用觀測(cè)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(gè)方向上取得突破性進(jìn)展。6. 完成對(duì)暗能量探測(cè)的原理、方法、方案的全面探索，為確定我國(guó)暗能量探測(cè)實(shí)驗(yàn)基本方案提供理論依據(jù)，對(duì)其中的關(guān)鍵問(wèn)題特別是主要誤差的估計(jì)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(guó)際影響力的重要基礎(chǔ)研究成果，包括在本領(lǐng)域著名國(guó)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(shí)驗(yàn)相結(jié)合的優(yōu)秀人才。通過(guò)項(xiàng)目的協(xié)作實(shí)施，在暗物質(zhì)和暗能量研究領(lǐng)域形成一支在國(guó)際上具有重要影響的研究團(tuán)隊(duì)。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(wèn)題，開(kāi)展相關(guān)的理論研究和相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)可行性和競(jìng)爭(zhēng)性探索。充分發(fā)揮理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的優(yōu)勢(shì)，定期和不定期的召開(kāi)討論會(huì)，互通進(jìn)展和研究中遇到的新問(wèn)題。總體思路示意圖如下：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(lái)解釋 PAMELA/ATIC/Fermi和 DAMA的結(jié)果的理論機(jī)制，在超對(duì)稱(chēng)和多希格斯模型中考慮暗物質(zhì)衰變的可能機(jī)制。 構(gòu)造具有量子索末菲效應(yīng)和共振態(tài)增強(qiáng)效應(yīng)等可能的唯象模型。 發(fā)展數(shù)值和模擬方法計(jì)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(lái)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(shí)驗(yàn)觀測(cè)現(xiàn)象和結(jié)果，預(yù)言可被探測(cè)和檢驗(yàn)的新物理唯象，提供給實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)有用的理論依據(jù)。2．暗物質(zhì)的空間探測(cè)實(shí)驗(yàn)預(yù)研：我國(guó)的暗物質(zhì)粒子探測(cè)器擬主要由三部分組成，上部的徑跡探測(cè)器用來(lái)測(cè)量入射粒子的方向，中部的 BGO量能器用來(lái)測(cè)量入射粒子的能量，同樣這兩個(gè)探測(cè)器可以區(qū)分電子和質(zhì)子。底部的中子探測(cè)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(shí)間內(nèi)提高觀測(cè)精度，我們計(jì)劃繼續(xù)與美國(guó)合作，重新設(shè)計(jì)ATIC（新項(xiàng)目名：AREL）, 提高能量分辨和本底水平，爭(zhēng)取 2011-2012年左右能夠在南極長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)。3、暗物質(zhì)地下探測(cè)的前沿技術(shù)預(yù)研綜合分析世界上目前暗物質(zhì)探測(cè)探測(cè)方法，研制出下一步高靈敏度、低本底的深埋探測(cè)器，為實(shí)現(xiàn)直接探測(cè)暗物質(zhì)和研究暗物質(zhì)的性質(zhì)做準(zhǔn)備，設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)方案。對(duì) LAr探測(cè)器及探測(cè)技術(shù)的研究包括：吸收別人的所長(zhǎng)，避其所短，進(jìn)行有特色的獨(dú)立的研究。采用快速響應(yīng)的氣體探測(cè)器，直接測(cè)量漂移電子（TPC方法）群，對(duì) LAr的探測(cè)器性能進(jìn)行研究，與 LXe的探測(cè)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(duì)過(guò)熱液滴的氣泡探測(cè)技術(shù)研究包括：（1）選擇一種合適的過(guò)熱液體作探測(cè)靈敏液體；（2）通過(guò) MC 計(jì)算在過(guò)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(cè)器對(duì)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(cè)器模型，進(jìn)行先期條件實(shí)驗(yàn)研究；（4）分別測(cè)量 γ,n,e, α 在探測(cè)器模型中的信號(hào)，檢驗(yàn) γ、e 在探測(cè)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(dòng)和被動(dòng)屏蔽的建造提供相應(yīng)依據(jù)；（5）通過(guò)音頻測(cè)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(jí)探測(cè)器單元，幾十～百升量級(jí)探測(cè)器陣列探測(cè)器模型制作和性能測(cè)試。關(guān)于 CaF2（Eu）/BaF2 復(fù)合晶體探測(cè)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(cè)量裝置和讀出系統(tǒng)，進(jìn)行探測(cè)器和數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的調(diào)試，確定相應(yīng)運(yùn)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(cè)器陣列的建造和主、被動(dòng)屏蔽的建造。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)積累，獲得包括：探測(cè)閾能，能量分辨率、DM 探測(cè)靈敏度，本底水平，等各項(xiàng)參數(shù)。為整個(gè)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)和依據(jù)。在進(jìn)行探測(cè)器預(yù)研的同時(shí)，（1）我們同時(shí)跟蹤國(guó)際上最新的 WIMP直接探測(cè)手段（比如 CF4氣體 TPC），比較這些探測(cè)手段的可行性和靈敏度，研究其關(guān)鍵技術(shù)的難點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)方法。（2）參考國(guó)際上各種相關(guān)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中奇異事例的存在性。4、暗能量的理論研究和地面探測(cè)方案預(yù)研一方面利用國(guó)際國(guó)內(nèi)已有的觀測(cè)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(dòng)力學(xué)的緩變標(biāo)量場(chǎng)還是額外維度理論的效應(yīng)。另一方面，從暗能量觀測(cè)的基本原理出發(fā)，運(yùn)用解析的和數(shù)值模擬的方法對(duì)暗能量探測(cè)裝置的觀測(cè)性能，包括系統(tǒng)誤差等進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)觀測(cè)方案進(jìn)行優(yōu)化。5、暗物質(zhì)噸級(jí)液氙探測(cè)器的預(yù)研當(dāng)前國(guó)際上最好的暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)自 CDMS和 XENON10兩個(gè)實(shí)驗(yàn)。CDMS實(shí)驗(yàn)利用高純鍺為探測(cè)材料，該實(shí)驗(yàn)已經(jīng)發(fā)展了近二十年，在實(shí)驗(yàn)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(cè)器的質(zhì)量以提高對(duì)暗物質(zhì)探測(cè)的靈敏度。與 CDMS相比，利用液氙的 XENON實(shí)驗(yàn)不僅在費(fèi)用上大大的減少，而且在技術(shù)上也有獨(dú)到的創(chuàng)新之處。XENON 實(shí)驗(yàn)利用的“二相型氙”探測(cè)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(guó)際上被普遍認(rèn)為是最有前景的暗物質(zhì)直接探測(cè)技術(shù)，目前有四個(gè)具有類(lèi)似技術(shù)的實(shí)驗(yàn)在發(fā)展和競(jìng)爭(zhēng)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(shí)驗(yàn)（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(guó) LUX實(shí)驗(yàn)，以及正在建造的日本 XMASS實(shí)驗(yàn)。在幾年之內(nèi)，要在國(guó)際上取得領(lǐng)先地位，我們必須開(kāi)展以噸級(jí)為目標(biāo)的預(yù)研。由于我們所在的 XENON100實(shí)驗(yàn)質(zhì)量已經(jīng)達(dá)到了 170公斤，同時(shí)為了與有可能在幾年之內(nèi)有首批結(jié)果的 LUX300公斤探測(cè)器競(jìng)爭(zhēng)，我們的探測(cè)器設(shè)計(jì)的質(zhì)量以 200公斤為基礎(chǔ)，以噸級(jí)為目標(biāo)?！岸嘈碗碧綔y(cè)器的原理如下圖所示。圖二：“二相型氙”暗物質(zhì)探測(cè)器的原理和信號(hào)介紹。它的主體為液態(tài)的氙，由專(zhuān)門(mén)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(huì)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(guò)程中會(huì)發(fā)出波長(zhǎng)約 178nm的閃光信號(hào)，被我們稱(chēng)為 S1信號(hào)。在液氙中外加一個(gè)強(qiáng)度約 1 kV/cm的電場(chǎng)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(shí)，一個(gè)更強(qiáng)的電場(chǎng)（約 10 kV/cm）將加速這些電子在氣態(tài)氙中的漂移，同時(shí)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(guò)程中同樣會(huì)發(fā)出 178nm的閃光信號(hào)，稱(chēng)為 S2信號(hào)。S2 信號(hào)的強(qiáng)度與在液氙中漂移的電子數(shù)目成正比。S1 和 S2信號(hào)都是用分布在液氙周?chē)膶?duì) 178nm波長(zhǎng)感應(yīng)度很高的光電管測(cè)量。S1 和 S2信號(hào)的時(shí)間差可被用來(lái)計(jì)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(guò)程中擴(kuò)散很少，我們可以利用發(fā)生在氣態(tài)氙中的 S2信號(hào)在上部各個(gè)光電管中的信號(hào)強(qiáng)度分布來(lái)計(jì)算碰撞所處的 XY位置。同時(shí)，S2/S1 的比例和碰撞的類(lèi)型相關(guān)。由來(lái)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(lái)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(cè)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(cè)器外部放射線所帶來(lái)的本底，對(duì)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(jì)劃研究?jī)?nèi)容 預(yù)期目標(biāo)第一年1、 重點(diǎn)對(duì) Fermi 和 PAMELA，ATIC等空間探測(cè)試驗(yàn)的最新結(jié)果做模型無(wú)關(guān)的唯相分析。運(yùn)用數(shù)值和半解析方法計(jì)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(guó)際合作，開(kāi)展暗物質(zhì)空間探測(cè)器物理設(shè)計(jì)和模擬仿真。3、 暗物質(zhì)地下探測(cè)方面積極準(zhǔn)備包括液氬、過(guò)熱液滴、復(fù)合晶體等各種探測(cè)器所需的各類(lèi)設(shè)備4、 研究如何從天文觀測(cè)數(shù)據(jù)中提取暗能量信息的方法。5、 對(duì)在南極 DOME A上開(kāi)展暗能量研究的原理、方法及方案開(kāi)展全面探索。6、 研究“二相型氙”暗物質(zhì)地下探測(cè)器的原理；研究探測(cè)器對(duì)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(cè)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(duì)目標(biāo)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析。2、 完成暗物質(zhì)空間探測(cè)器系統(tǒng)（如：位置分辨閃爍探測(cè)器） 和多路電子學(xué)系統(tǒng)和指標(biāo)設(shè)計(jì)，完成中子探測(cè)器的計(jì)算和仿真。3、 完成暗物質(zhì)地下的液氬、過(guò)熱液滴、復(fù)合晶體等各種探測(cè)器的工程設(shè)計(jì)，準(zhǔn)備探測(cè)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(cè)器單元的實(shí)驗(yàn)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(shí)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(cè)實(shí)驗(yàn)的基本方案。6、 完成 25公斤的探測(cè)器(CXO-25)的設(shè)計(jì)，并開(kāi)始建造。研究?jī)?nèi)容 預(yù) 期目標(biāo)第二年1、研究各類(lèi)暗物質(zhì)模型中的暗物質(zhì)湮滅和衰變機(jī)制，重點(diǎn)研究可能增強(qiáng)湮滅截面的機(jī)制如索末菲效應(yīng)和共振態(tài)效應(yīng)等2、開(kāi)展探測(cè)器原理樣機(jī)研制和衛(wèi)星接口設(shè)計(jì)及協(xié)調(diào)3、繼續(xù)對(duì)暗物質(zhì)地下探測(cè)器的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究；模擬完成各種探測(cè)器靈敏度曲線，初步建立信號(hào)處理、數(shù)據(jù)分析程序庫(kù)。4、利用觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)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(cè)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(cè)數(shù)據(jù)，建立針對(duì)重子振蕩測(cè)光巡天的模擬星表。6、研究控制“二相型氙”探測(cè)器穩(wěn)定運(yùn)行的各種技術(shù)；研究宇宙線、材料放射性等對(duì)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(jī)制。2、 完成暗物質(zhì)空間探測(cè)器的位置分辨閃爍探測(cè)器原理樣機(jī)研制。完成 BGO閃爍探測(cè)器原理樣機(jī)，多路電子學(xué)系統(tǒng)原理樣機(jī)研制。完成暗物質(zhì)空間探測(cè)器的Monte Carlo仿真。并完成與衛(wèi)星有關(guān)的接口設(shè)計(jì)和協(xié)調(diào)。3、 攻關(guān)解決暗物質(zhì)地下探測(cè)器部件的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，完成探測(cè)器單元的測(cè)試，為探測(cè)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(duì)重子振蕩測(cè)光巡天的模擬星表。5、 完成 CXO-25的建造，并開(kāi)始地面測(cè)試，并完成 CXO-25的數(shù)據(jù)處理軟件。研究?jī)?nèi)容 預(yù) 期目標(biāo)第三年1、研究暗物質(zhì)直接探測(cè)過(guò)程的物理機(jī)制，探尋可能存在的統(tǒng)一解釋目前所有直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的暗物質(zhì)－核子相互作用機(jī)制。2、原理樣機(jī)組裝和測(cè)試，同時(shí)開(kāi)始探測(cè)器飛行樣機(jī)設(shè)計(jì)和衛(wèi)星立項(xiàng)準(zhǔn)備工作。3、在研究所實(shí)驗(yàn)室內(nèi)搭建起液氬、晶體和過(guò)熱液滴等幾種暗物質(zhì)地下探測(cè)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(cè)效應(yīng)。5、利用重子振蕩測(cè)光巡天的模擬星表，開(kāi)發(fā)測(cè)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(cè)器所需的各類(lèi)技術(shù)和實(shí)施方案；研究在地下實(shí)驗(yàn)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(cè)器靶物質(zhì)的相互作用，希望能對(duì)未來(lái)暗物質(zhì)的探測(cè)給出理論指導(dǎo)。2、 開(kāi)始暗物質(zhì)空間探測(cè)器的原理樣機(jī)整機(jī)組裝和測(cè)試標(biāo)定。3、 完成探測(cè)器的整體建造，使得探測(cè)器正常運(yùn)行，獲得第一批整體測(cè)試數(shù)據(jù)。4、 從理論上揭示暗能量的可能起源及探測(cè)方法。5、 完成測(cè)量星系功率譜及重子振蕩的軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)屏蔽、選擇函數(shù)、測(cè)光誤差等實(shí)際問(wèn)題的優(yōu)化。6、 完善 CXO-25的各個(gè)子系統(tǒng)，并完成地面測(cè)試。完成屏蔽系統(tǒng)材料的購(gòu)買(mǎi)，并開(kāi)始在地下實(shí)驗(yàn)室中安裝屏蔽系統(tǒng)，同時(shí)開(kāi)始 200公斤液氙探測(cè)器的設(shè)計(jì)。研究?jī)?nèi)容 預(yù) 期目標(biāo)第四年1、對(duì)現(xiàn)有的暗物質(zhì)模型作綜合分析，通過(guò)各類(lèi)對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)和低能過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)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(cè)器設(shè)計(jì)和仿真3、進(jìn)一步優(yōu)化暗物質(zhì)地下探測(cè)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(cè)器移至地下實(shí)驗(yàn)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(cè)證據(jù)5、研究地下實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行條件；研究大型液氙探測(cè)器的穩(wěn)定運(yùn)行所需的各類(lèi)技術(shù)和放射線在大型液氙探測(cè)器中的信號(hào)產(chǎn)生和鑒別1、完成對(duì)幾類(lèi)主要模型中的暗物質(zhì)信號(hào)的全面分析。2、完成暗物質(zhì)空間探測(cè)器的機(jī)，電，熱設(shè)計(jì)。3、開(kāi)始暗物質(zhì)液氬、晶體和過(guò)熱液滴的地下實(shí)驗(yàn)，獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)4、初步提出暗能量探測(cè)的原理、方法及方案5、將 CXO-25安裝到地下實(shí)驗(yàn)室的屏蔽系統(tǒng)中，并開(kāi)始運(yùn)行。完成200公斤的探測(cè)器(CXO-200)的設(shè)計(jì)和本底模擬，并開(kāi)始建造。第五年1、 在已有研究的基礎(chǔ)上重點(diǎn)研究暗物質(zhì)的理論模型構(gòu)造?；趯?duì)稱(chēng)性等基本原理和量子場(chǎng)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(kāi)展暗物質(zhì)空間探測(cè)的飛行樣機(jī)研制。3、 維護(hù)幾個(gè)小型的暗物質(zhì)地下探測(cè)實(shí)驗(yàn)運(yùn)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(chǎng)論模型，并與天文觀測(cè)做比較。5、 研究 CXO-25對(duì)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(duì)稱(chēng)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(hào)的預(yù)言。2、爭(zhēng)取暗物質(zhì)空間探測(cè)的衛(wèi)星立項(xiàng)。3、給出細(xì)致完整的、下一步暗物質(zhì)地下探測(cè)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)方案。4、完成對(duì)暗能量探測(cè)的原理、方法、方案的全面探索，為確定我國(guó)暗能量探測(cè)實(shí)驗(yàn)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?jī)?nèi)容 預(yù) 期目標(biāo)找和探測(cè)；研究“噸量級(jí)”探測(cè)器所需條件和技術(shù)質(zhì)探測(cè)結(jié)果。完成建造 CXO-200液氙暗物質(zhì)探測(cè)器。