暗物质粒子探测器径迹重建方法的初步研究

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目前的天文观测数据表明宇宙中存在着大量的暗物质,其总质量是人类熟知的普通物质的5倍以上。但现有的证据都是源自引力观测效应,暗物质相互间以及与普通物质间是否存在引力之外的相互作用尚不清楚。近年来世界各国的科学家争先恐后的开展了一系列的地下直接探测实验,空间或者地下的间接探测实验以及加速器实验,希望早日发现暗物质粒子,打开新物理世界的大门。但迄今为止,科学家们仅仅发现了一些疑似信号,这给中国科学家迎头赶上创造了历史性的机遇。一方面,我国的科学家在上个世纪末提出了空间探测高能电子、伽玛射线的新方法,并通过国际合作的机会对这些方法的可靠性予以了实验检验。另一方面,粒子物理学家们提出暗物质可能湮灭或衰变到高能电子对、伽玛射线等。因此原则上可以通过高精度观测电子宇宙射线、伽玛射线等来寻找暗物质粒子存在的证据,这也就是所谓的暗物质间接探测。中科院数家单位联合研制了暗物质粒子探测卫星(DAMPE),预期于2015年底发射,即将吹响中国在空间自主间接探测暗物质粒子的号角。  在攻读博士学位期间我参加了暗物质粒子探测卫星项目并主要从事了3方面的工作:(1)开发探测器的“运行状态监视、物理事例显示”应用软件,并被直接应用于探测器载荷联试和束流测试,为工程项目的顺利推进做出了贡献;(2)参加卫星数据处理软件的开发工作,重点是研究高能区粒子径迹的重建方案,为将来的卫星科学数据处理的软件建设做出了贡献;(3)针对“暗物质卫星的高能量分辨能力特别适合探测暗物质起源的线谱信号”这一事实,我们借助Fermi卫星的现有GeV数据对未来一系列伽玛射线探测器可能探测到的暗物质湮灭产生的线谱信号光子的数量及空间分布进行了模拟预测,对将来的实际线谱搜寻工作具有一定的指导意义。  论文的第一章是对暗物质的背景知识做较系统的介绍。第二章较全面介绍了我所服务的暗物质粒子探测卫星的基本情况,包括科学目标和设计指标、有效载荷的组成、探测的物理原理、轨道参数等,并与国际同类探测器进行了比较。第三、四章介绍的是作者在博士期间所完成的工作。其中第三章重点讨论了暗物质粒子探测器径迹重建:包括点的去除、寻迹、对径迹的最小二乘法拟合和卡尔曼滤波拟合(含两种方法重建结果的对比)等、还对重建过程中产生的误差也做了简单的分析。现阶段重建出的径迹的精度已经可以满足实际需求。该章也简单的介绍了作者研发的运行状态监视、物理事例显示软件及其应用情况。第四章是我们借助Fermi卫星的现有GeV数据对未来一系列伽玛射线探测器可能探测到的暗物质湮灭产生的线谱信号光子的数量及空间分布进行了模拟预测,发现线谱光子信号数量偏少,因此信号区的中心通常和暗物质分布中心会有所不同,这对暗物质伽玛射线线谱搜寻具有一定的指导意义。
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