网站地图联系我们English中国科学院
     
研究成果
  研究方向  
  承担任务  
  研究成果  
  高能新闻
·中国散裂中子源完成首批港澳地区用户实验
·高能所召开2019年新春民主党派代表座谈会
·高海拔宇宙线观测站季度工作会第五次会议在成都召开
·高能所纪委集中学习十九届中央纪委三次全会精神
·北京市政协提案委员会主任王英杰一行来所慰问张新民
·高能所组织召开党委纪委研讨会
·首届江门中微子实验国际科学顾问委员会会议在上海召开
·江门中微子实验第13届国际合作组会在上海召开
·天宫二号伽马暴偏振探测仪实现伽马暴偏振高精度测量
·国家重点研发计划“基于高海拔宇宙线观测站LHAASO的科...
  人才招聘
·中国科学院高能物理研究所...
·中国科学院高能物理研究所...
·东莞分部科研计划办公室副...
·中国科学院高能物理研究所...
·中国科学院高能物理研究所...
您现在的位置:首页 > 机构设置 > 科研部门 > 粒子天体物理中心 > 科学研究 > 研究成果
研究成果
 

  1.空间高能天文与粒子探测方面:

  (1)“慧眼”硬X射线调制望远镜(Insight-HXMT)卫星:

  硬X射线调制望远镜(HXMT,慧眼)卫星是中国第一颗X射线天文卫星,主要对黑洞、中子星和γ射线暴(Gamma-Ray Burst,简称GRB)等致密天体进行观测研究。卫星总重量2500kg,搭载的主要仪器包括高能X射线望远镜、中能X射线望远镜、低能X射线望远镜以及空间环境监测器。HXMT卫星具有扫描、定点和GRB监测三种观测模式,扫描观测可以进行宽波段大天区X射线巡天成像,定点观测可以研究黑洞、中子星等高能天体的多波段X射线快速光变,GRB监测可以监视天空中的高能爆发现象。凭借这些能力,HXMT卫星将大大加深对天体的剧烈爆发过程、中子星强磁场和黑洞强引力场中的动力学和高能辐射过程的认识。

  HXMT卫星于2017 年6月15日在酒泉卫星发射中心发射升空,运行在550km的近地圆轨道上,观测能区覆盖1-250keV,具有大天区、高灵敏度的巡天观测和高精度的定点观测能力。HXMT的成功研制表明我国在空间X射线天文探测器设计、制造、配套的性能测试(标定)以及地面科学应用系统等各方面取得了全面突破,跻身国际上少数能够自主研制一颗X射线天文卫星的全部科学仪器的国家之列,为我国未来空间天文的科学研究打下了坚实的基础。

  HXMT卫星成功发射入轨后,经过5个月的在轨测试,完成了所有测试项,卫星运行正常,技术指标满足研制总要求。其中在有效探测能段、能量分辨率和时间分辨率等方面,显著优于任务书要求,高能探测器和低能探测器的能量分辨达到同类仪器国际最好水平。另外,HXMT卫星还有效利用了高能探测器大面积和宽波段特性,成为在0.2-3MeV能区国际上有效面积最大的伽马射线暴探测器。2017年11月28日,HXMT卫星工程顺利通过了在轨测试总结评审。2018年1月30日,卫星正式交付使用。

  在轨测试期间,对卫星平台和有效载荷性能、地面指令上行、数据接收和处理、ToO快速反应、各种观测模式等进行了全面的测试,多次参加了国际空间和地面的联测,获得了银道面扫描巡天、黑洞、中子星、太阳耀发等的大量观测数据,发布了30多个伽马射线暴的观测结果,直接测量到了目前最强的中子星磁场回旋吸收线,完成了国内最高精度的脉冲星导航试验;对GW170817双中子星并合引力波事件的高能伽马射线辐射给出了严格的限制并且作为重要贡献者参加了该历史性论文。这些结果表明,“慧眼”卫星完全有能力实现其预期科学目标,而且有望取得超出预期的重要科学成果。

  为促进观测数据的有效利用和科学产出,2017年4月慧眼卫星向国内天文界公开征集观测提案,包括16家科研院所及高校的学者共提交90份观测提案,含348个目标天体源,申请观测时间约7年。2018年1月8日至10日,在中科院高能所召开了第一届“慧眼”卫星科学用户大会,来自全国30多家科研院所及高校的170余位天文学者参加会议。会上对卫星的科学运行情况及初步观测结果进行了全面的展示,并介绍了联合基金、数据政策等事宜,宣布了核心科学提案征集和评审结果。会议最后还组织了科学数据处理培训,为“慧眼”卫星下一步的科学研究工作打下了良好的基础。目前,本中心地面科学中心基于HXMT数据已发表SCI论文5篇,其中3篇发在国际著名天文期刊《The Astrophysical Journal》上,另外两篇分别发在国内主流期刊《中国科学》和《Research in Astronomy and Astrophysic》上,同时,还有4篇论文分别投在《The Astrophysical Journal》、《The Astrophysical Journal Supplement》和《Astronomy & Astrophysics》等国际主流天文期刊,正在回复审稿意见,预期将很快接收。

  (2)伽玛暴偏振仪(POLAR):

  POLAR是国内首次研制完成专门用于天体伽马射线暴(简称伽马暴)高灵敏度偏振探测的天文观测仪器,搭载于“天宫二号”空间实验室于2016年9月15日成功发射,开展在轨空间探测实验.

  POLAR在轨成功探测到55个伽马暴,首批成果给出了5个伽马暴的高精度偏振分析结果,这是目前为止国际上最大的高精度伽马暴偏振测量样本,发现伽马暴爆发期间的平均偏振度较低的重要现象,同时还发现了伽马暴在单个脉冲内偏振角的演化现象。相关成果获得国际认可并在顶级期刊《Nature Astronomy》上发表,受到了国际知名伽马暴专家在同期杂志上发表专文高度评价。

  与以往的伽马暴瞬时辐射偏振探测结果相比,POLAR的探测结果具有样本大、精度高以及成果新等优点。在过去近25年当中,共有5个空间探测实验发表了约10个伽马暴瞬时辐射偏振探测结果。POLAR第一篇偏振分析文章就发表了5个伽马暴偏振探测结果,并且后续还将陆续给出其它伽马暴的分析结果。偏振探测精度方面,POLAR给出5个伽马暴偏振度分析99%置信度上限。同时,POLAR给出5个伽马暴联合分析平均偏振度低(~10%)、单峰结构的伽马暴偏振演化等新的结果。由此也提出了新的科学问题,即偏振演化是否普遍存在于伽马暴中?探测到的偏振度普遍不高,是不是由于伽马暴爆发期间偏振角的快速变化所导致的?那么这种变化占主导的机制是什么?要回答以上根据POLAR观测结果提出的新的科学问题,我们还在POLAR实验项目的基础上提出了一种增强型的伽马暴瞬时辐射偏振探测仪器,其科学探测能力将有大幅度提高,已申请搭载于未来的中国空间站上开展实验,有望解决根据POLAR的科学发现所提出的新的科学问题,期待最终揭开伽马暴瞬时辐射物理机制的神秘面纱。

  利用POLAR在轨探测Crab脉冲星的数据进行导航方法研究的成果于2017年发表在《中国科学:物理学 力学 天文学》杂志上,题目为“基于天宫二号POLAR的脉冲星导航实验”。该结果被国外学者评价为两个成功的脉冲星导航空间技术验证实验之一,另外一个是在伽马暴偏振探测仪之后于国际空间站上运行的美国宇航局的NICER(中子星内部构成探测器)实验。相关的评论文章题目为“Solar System Ephemerides, Pulsar Timing, Gravitational Waves, & Navigation”。

  (3)DAMPE硅阵列探测器(STK):

  (a)STK电荷重建进展:

  基于在轨数据标定,结合地面测试及模拟等手段进一步完成了SSD电荷分配系数刻度,优化了电荷分配重建算法,利用地面测试和在轨观测数据验证了电荷分配原理。

  (b)宇宙线与太阳活动调制研究:

  基于2年DAMPE质子和电子数据,分析长时标和短时标太阳活动对宇宙线流量和能谱的影响:太阳调制电荷依赖、CME福布斯下降、SEP响应各向异性。

  (4)张衡一号高能粒子探测器:

  本中心原创性地设计研制完成了我国首颗电磁卫星上的主要有效载荷之一:高能粒子探测器。高能段载荷、低能段载荷和太阳X射线监测器三个探头共5台单机。三台子探测器综合了利用硅条探测器、硅片探测器、硅漂移室探测器、塑闪量能器、碘化铯量能器和反符合探测器等多种探测技术,并利用了ASIC技术进行多路电信号处理。该探测器针对辐射带粒子的特点而设计,具有对近地空间的高能电子、质子的原位探测能力,具有良好的粒子鉴别效率、能量分辨率、角分辨率,以及宽的能量探测范围和高的探测灵敏度。其对辐射带粒子的综合探测能力达到了目前国际同类探测器的先进水平。

  高能粒子探测器已于2018年2月2日随卫星发射入轨,并已完成在轨测试,于2018年10月31日正式交付运行。经过初步数据分析,利用HEPP-L的数据探测到位于澳大利亚西海岸的地面人工基站NWC发射的VLF波引起的电子沉降带,由于HEPP-L具有投掷角测量能力,首次探测得到NWC电子沉降带的投掷角分布,发现投掷角分布存在不对称性。该工作即将形成论文发表。

  (5)AMS暗物质间接寻找实验:

  利用AMS数据,精确测量宇宙线中轻质量反粒子包括正电子、反质子和反氘来寻找暗物质。通过精确测量宇宙线正电子,发现高能宇宙先正电子主要来自于带截止能量的源成份,这个源成份可能来自于暗物质或者是天体源比如脉冲星。宇宙线反质子的精确测量结果显示其高出传统的宇宙线模型,可能来自于暗物质湮灭。而高能宇宙线电子则跟正电子有不同的能谱特征,二者有不同的来源。

  (6)高能天体物理研究:

  在高能天体物理研究方面,主要针对包括黑洞和中子星X射线双星、脉冲星、磁星、伽马射线暴和双致密星并合引力波高能电磁对应体(即引力波闪)等致密天体以及超新星遗迹、星系团进行观测、数据分析和理论研究。主要研究成果为:

  (a)黑洞和中子星X射线双星:以X射线暴为探针研究了中子星的吸积物理,特别是中子星热核暴和吸积盘冕的关系;通过研究γ射线双星的高能辐射特性推断其致密星本质,并建立了筛选γ射线双星候选体的标准流程。

  (b)磁星和脉冲星:构建了磁场演化模型并将其应用到一个脉冲星的观测数据上;利用脉冲星计时给出了对引力波单源的强度限制,并提出一种探测“超Nyquist 频率引力波”的新方法;通过对Crab脉冲星X射线观测数据的分析研究其长期演化。

  (c)吸积双星中致密天体质量测量和黑洞形成基础理论:通过研究吸积盘风吸收线的多普勒运动测量了吸积X射线双星中的黑洞质量;研究了“冻结星”问题并用其解释GW150914类双黑洞并合事件。

  (d)超新星遗迹:通过X射线的成像观测,在第谷超新星遗迹中发现硫(S)和硅(Si)的Kα线的流量比随半径增加而增加,展示电离年龄(即从电离开始的时间)沿径向的分布,揭示了电离前区的向超新星遗迹内的传播历史。

  (e)星系团:建立了含有数十个星系团的样本,利用XMM-Newton、Chandra、Planck等卫星对星系团的性质进行研究;对星系团等宇宙大尺度结构中星系的取向进行研究,充分说明星系取向与星系在大尺度结构中的形成与演化是密切相关的。

  (f)伽马射线暴与引力波闪:探测伽马射线暴及双致密星并合引力波产生的高能电磁对应体,研究伽马暴的前身星和辐射机制,监测发现各类双致密星并合引力波的高能X射线和伽马射线辐射。

  2. 宇宙线研究

  (1)高海拔宇宙线观测站(LHAASO):

  工程建设方面,各子阵列正抓紧建设:ED组装工艺成熟,批量组装工作正在紧张开展,安装了50个ED小阵列运行稳定,实现高效自动化标定,精度满足需求;完成工艺探索及50个MD安装,各项指标均达到设计要求,309个基坑开挖完成,探测器外壳完成296个,覆土50个;WCDA完成1号水池的探测器安装工作开始运行,以及20吋、3吋PMT、线缆的招标采购工作;WFCTA正在站点安装调试6台望远镜。所有类型的子阵列都已经看到正常信号,正抓紧检测工作。数据质量检查、数据的标定、模拟与重建等工作也在同步进行中。

  与此同时,对多个物理目标进行了物理预期工作:对LHAASO视场内的超新星遗迹TeV伽马源逐一进行研究,得到LHAASO对这些源的观测预期结果;预测了WCDA可以观测到的BLLac天体数量;提出银盘宇宙线存在硬成分的模型,预言了正反质子比将随能量增大变为常数的结论,被AMS02实验后来的测量所验证,预言了B/C比在TeV以上存在超出的预期有望在未来的DAMPE卫星实验得到验证;通过提出银心处的星际介质具有密度相差很大的泡沫结构,成功解释了能谱不同的现象;通过假设宇宙线电子、宇宙线核子与一个未知的轻质量x粒子发生阈能反应,可解释宇宙线核子谱的“膝”和电子谱的截断具有相近的洛仑兹因子的现象,为研究轻质量的暗物质粒子提供了一种新的方法。另外,与俄罗斯科学院核研究所河北师范大学、西藏大学、四川大学的合作,研究新型的热中子探测技术,为宇宙线成份研究提供新探测手段,目前已经建成66台探测器正在进行检测调试,即将搬上LHAASO站点。

  (2)西藏羊八井宇宙线观测站:

  (a)ARGO-YBJ实验:

  研究成果包括:GRB搜索;活动星系核耀发的甚高能能谱特征;银河系弥散伽马射线的分布与能谱;发现了天鹅座Fermi Cocoon的甚高能伽马辐射;精确测量了100TeV附近的宇宙线能谱并与空间探测器实现了完美的对接;发现了轻成分的膝低于1 PeV;用轻成分主导的月亮阴影建立低能能标;精确测量了大尺度各向异性结构;发现了与太阳自转相关的调制效应并研究了强烈空间天气过程预报的可能性;发现了空气簇射与几百米高的天气过程的关联效应等。这些成果为深入开展LHAASO的物理工作打下了坚实的基础。

  (b)ASγ实验:

  维持新升级的西藏羊八井ASγ实验稳定运行。目前ASγ三大复合式阵列(Tibet-III+YAC-II+MD)正常稳定取数至今。利用Geant4 软件包完成了蒙卡模拟,完全代替了ASγ实验组原来的官方Epics 版本。利用新升级的 ASγ实验(Tibet-III+MD)阵列,完成了“100 TeVγ源探索”的计算机蒙卡模拟研究。在IceCube报导了400TeV能区的宇宙线各向异性后,开展了北天区10TeV-1PeV能区的宇宙线各向异性测量。利用ASγ实验长达十五年的实验数据,测到了300TeV-1PeV能区非零的2D宇宙线各向异性正结果。此结果与南极IceCube实验对南天区所做的测量可较好衔接,联合的结果清楚地表明各向异性的结构在大约100TeV的时候发生了很显著的变化,为理解银河宇宙线的起源提供了新的信息。

  3. 粒子物理实验:

  (1)中微子实验及物理分析:

  近5年内,中微子组在三个主要研究方向,即大亚湾实验物理分析、江门实验探测器研发和液氩探测器研发方面都取得一系列成果。

  在大亚湾中微子实验中,2014年首次完成了中微子谱的测量,发现数据和模型预期在4-6 MeV有约10%的超出,引起了国际上的广泛关注,她作为撰稿人完成的合作组文章被PRL选为“editors’suggestion”(Phys. Rev. Lett. 116, 061801)。此外,课题组成员于泽源、路浩奇、徐吉磊等人也在大亚湾实验探测器刻度和重建、本底研究等方面做出重要贡献,其中于泽源带领团队在2018完成了中微子振荡参数的精确测量,对sin22θ13和|Δm232|的测量精度分别达到3.4%和2.8%,前者测量精度为世界最高,后者测量精度和加速器中微子实验T2K等类似,他作为撰稿人和通讯作者完成了相应文章(Phys. Rev. Lett. 121, 241805 (2018))。此外,本课题组负责的大亚湾实验探测器能量刻度也达到了0.5%的精度,为国际同类探测器最优。

  江门中微子实验方面,负责水切仑科夫探测器的研制,完成了探测器的设计,预计缪子探测效率超过99%,在40米尺度上的水温变化小于±1度。通过开发水氡剥离和测试设备,我们研制出国内第一台高灵敏的氡浓度测量装置,灵敏度达到0.009 Bq/m3,发表了2篇论文和一项专利,预计江门实验水氡含量小于0.2Bq/m3,比大亚湾低100倍。此外我们精确测量了20英寸PMT探测效率随地磁场的变化,从而提出在切仑科夫探测器上安装地磁屏蔽线圈,可以保证PMT的效率不受地磁场影响。课题组成员还参与了江门实验液闪研发和PMT测试,前者完成了液闪配方优化,极大化了光产额;后者确定了20英寸PMT的base设计以及测试和接收标准,已经完成1万余只PMT的测试工作。

  液氩探测器研发方面,立足于国内工业基础,我们在国内首次实现了关键设备国产的单相和双相液氩探测器全系统的研发和测试。在此基础上提出了应用液氩双相探测器探测反应堆中微子核子相干散射的实验计划,将有望在<1keV能量范围对中微子实现大反应截面的探测以及相关的物理参数的精确测量,并实现对下一代反应堆监测技术的掌握。

  (2)CMS实验:

  本中心CMS团队通过多个物理衰变道对希格斯粒子的性质进行了全面系统的实验研究,对CMS合作组及LHC上取得的如下成果有直接重要贡献:希格斯质量和衰变宽度的精确测量;确定该粒子的自旋宇称为0+,检验了其CP破坏性质;精确测量希格斯粒子的微分截面;精确测量希格斯与其它粒子的耦合度;以超过5σ的统计显著度发现希格斯粒子的重要产生模式、衰变模式:矢量玻色子聚合(VBF)产生模式,与顶夸克粒子伴随(ttH)产生模式以及H→τ+τ-和H→bb衰变模式,确认了希格斯粒子与费米子的直接相互作用(Yukawa interaction)。为CMS合作组发表的希格斯相关多篇重要文章做出了多项原创性或关键的贡献。

  4. 宇宙学研究

  王建民研究员等提出利用超爱丁顿极限的超大质量黑洞作为一类新的工具研究宇宙的演化历史,结合实验观测他们系统研究了黑洞吸积的物理过程及对宇宙学研究的影响。毕效军研究员的研究小组一直致力于暗物质信号的间接探测和宇宙线物理的研究,他们提出机制自然解释了暗物质卫星DAMPE测量的电子能谱形状,目前获得了广泛的认可。他们基于最新实验观测提出的传播模型能够自然解释宇宙线中正电子超出的现象,获得广泛关注和大量的后续研究。

  阿里项目发表两篇文章引起了国内外同行的关注,引力波诺贝尔奖得主Weiss教授给予了高度评价。

  1.Probing Primordial Gravitational Waves: Ali CMB Polarization Telescope.阿里计划项目组成员通过分析气象卫星数据详细研究了台址附近的水汽情况,选择阿里计划的观测季为每年10月至次年3月,根据台址地理位置以及望远镜硬件参数得到阿里计划的可覆盖天区,结合Planck合作组最新给出的前景分布情况,确定了扫描天区。基于观测季、扫描天区、望远镜仪器参数,对阿里的重点科学目标进行了预测,发现经过两年的观测,阿里计划可以将描述原初引力波的参数张标比r 的观测精度从当前的0.07提高至0.01,经过三年观测可以将CPT极化旋转角的测量精度提高至0.01°。该结果发表在《National Science Review》[National Science Review, 2018]。

  2.Tibet’s window on primordial gravitational waves.《Nature Astronomy》杂志邀请阿里计划首席张新民研究员写一篇关于介绍阿里计划的综述性文章,主要包括阿里计划的研究内容、科学目标、观测能力、阿里计划的优势、现状以及探测原初引力波的重要性等内容,该文最终发表与[Nature Astronomy 2, 104, 2018]上。

  

 
中国科学院高能物理研究所    备案序号:京ICP备05002790号
地址:北京市918信箱    邮编:100049    电话:86-10-88235008    Email: ihep@ihep.ac.cn