(一) 短中期目標前三年,完成LHC Run-2尋找暗物質的物理分析以及論文發表,持續進行AMS實驗的物理分析,進行模擬超新星爆炸下一步實驗的可行性分析。

(二) 中長期目標:從第三年起,著手進行Run-3尋找暗物質的物理分析以及論文發表,嘗試比較複雜的最終態(具有長生命期的新粒子)、提出更優質的分析方法,以提升搜尋靈敏度。同時對超新星模擬方面進行先期試驗。

(三) 長期目標:

1. AMS實驗將持續在國際太空站上運作和擷取實驗數據,我們將在不斷增加的實驗數據中,繼續進行宇宙射線不同元素的精密測量、尋找暗物質和反物質。

2. 進行超新星爆炸模擬實驗,並驗證宇宙射線的加速機制。

3. 投入新一代的實驗。我們將在2019年,當LHC停機之後,開始投入人力,衡量各種可能性。新世代的暗物質實驗是我們的目標之一,重點也許會放在極具挑戰性的低質量暗物質。此外,近來重力波的發現開啟了一個嶄新的研究領域,將研究觸角伸往重力波實驗,也是本中心一個可能的方向。做法上將透過本計畫延攬相關領域的資深學者、以及年輕學者和現有成員共同合作開拓新的科研方向。希望在2020年能確立目標並開始執行。

2018年成果:

1.AMS宇宙射線實驗

本中心成員參與AMS實驗多年,在硬體建設與物理分析方面都有重要的貢獻。107年度我們持續進行宇宙射線物理的分析,重要成果包含:

  • (1)量測宇宙射線中碳原子核的流量,以驗證初級宇宙射線的理   論模型。
  • (2)重新撰寫粒子軌跡重建的軟體,提高粒子動量的解析度,在反氘和反氦的研究上,將可明顯的提昇粒子接受度,對反物質的研究奠定很好的基礎。宇宙中的反物質研究將是我們未來研究的重點。
  • (3)完成AMS 新的軌跡探測器熱控系統的散熱板及熱傳導系統。這個元件由漢翔公司建造,已經系統整體組裝,預計將在2019年6約送上太空,安裝於AMS實驗上。(詳見本中心年度亮點特色)

2. KAGRA重力波實驗

今年本中心新聘井上優貴助理教授並正式加入日本重力波探測實驗KAGRA。KAGRA實驗的靈敏度在一些波段內比LIGO及VIRGO實驗好。KAGRA實驗於2019年加入重力波訊號探測網將可大幅改進重力波來源定位誤差到20平方度內,此可為重力波探測帶來突破性的發展。井上教授在KAGRA實驗的重要貢獻為研發光子校正儀(photon calibrator),利用光壓推動重力波感應體(test mass)的鏡面,可以校正的感應體絕對位移。此校正儀使KAGRA實驗將重力波探測的振幅及相位準確度提升到1%和1度。目前如何估計這校正儀的系統誤差,為我們的重要工作之一。另外,井上教授也發表一篇論文於Phys. Rev. D 98, 02205 (2018),提出如何利用光子校正儀以及重力場校正儀(gravity field calibrator)進一步提升重力波振幅探測準確度,目前我們估計將可達0.17%。井上教授加入本中心後旋即獲得科技部愛因斯坦計畫五年的補助。同時,我們也整合本中心高能實驗成員進行重力波實驗物理分析並和中央大學具光學專長的鄭王曜教授及清華大學李瑞光教授建立合作關係共同參與KAGRA實驗。對外,我們也和東京大學宇宙射線研究所及大阪市立大學簽訂合作備忘錄。這些國內外的科研合作將可加速本中心在重力波實驗研究上的推進(詳見中心年度亮點特色)。

2018-2019年成果:

AMS實驗

AMS是位於國際太空站上的粒子探測器,能偵測1GeV到3000GeV的宇宙射線粒子,並分辨其電荷的符號,以確定該粒子是一般物質還是反物質。AMS是現在宇宙射線實驗中唯一能夠直接測量反電子(正電子)和反質子的探測器。一般的宇宙射線模型中,正電子和反質子是透過高能宇宙射線粒子與星際物質碰撞而產生,其流量基本上隨者能量呈現指數衰減。然而,如果暗物質粒子可以相互碰撞湮滅,我們將觀測到比預期還多的反粒子,而其能譜也將呈現不規則的變化。2019年AMS實驗發表了最新的正電子測量結果(PRL 122, 041102),其能譜如圖7。這個能譜顯示非常不尋常的現象,在20GeV到1000GeV的範圍,正電子出現異常增加,不符合傳統模型中正電子由碰撞產生的預測,顯示在這個能量範圍由一個未知的正電子源。這個未知的源有可能是暗物質湮滅,也可能是其他特殊星體(如Pulsar)。AMS將持續收集數據,在未來三年將測量範圍擴展到1000GeV以上,讓我們更詳細的研究這個特殊的正電子源的性質。

圖7:AMS測量的正電子能譜。圖中縱軸為正電子流量(乘上能量三次方以利觀察),橫軸為正電子的能量。紅點為測量的數據,綠色的線為一

個現象學模型,該模型包括了一個傳統的碰撞生成正電子能譜(灰色部分,diffuse term)和一個未知的正電子源(粉紅色部分,source

term)。Source term與暗物質湮滅的預期吻合。

大強子對撞機實驗尋找暗物質粒子 在大強子對撞機的質子對撞產物中,“單一粒子事件 (mono-X)”是一個標準模型粒子和暗物質一起產生的事件,是尋找暗物質的正宗方法 ; 而其中的單一希格斯玻色子通道(mono-H), 對於了解暗物質和標準模型物質之間的交互作用,有更高和更直接的敏感度。中心成員以及其團隊,將主力放在最具敏感度的底夸克衰變通道– mono-H (H→bb)。我們從信號的模擬數據產生、背景干擾及系統誤差的估計,以及最後對理論模型的檢驗,皆一一參與,完全主導了mono-H (H→bb)的物理分析,且擔任了分析領導者及期刊論文的接洽者。此分析已經利用2015至2017年所取的部分Run-2數據,發表了研討會論文ATLAS-CONF-2018-039,和2016年的數據發表了期刊論文JHEP 1710, 180 (2017)及Eur. Phys. J. C 79, 280 (2019)。還有一篇綜合所有mono-H通道的論文,正在被JHEP審核中(arXiv: 1908.01713)。圖8展示了mono-H (H→bb)分析所設的暗物質與核子反應的截面上限值。

圖8:暗物質和核子反應截面的上限值以及此數值隨暗物質質量大小的變化。黑色實線代表的是mono-H (H→bb)分析結果,其他顏色的虛線則是來自非對撞機實驗,也就是所謂的暗物質直接偵測實驗 (Direct Detection Experiments)結果。實線以及虛線以上的數值已經被排除。

圖9:希格斯玻色子衰變到無法觀察到的粒子(H→invisible)的機率上限值。每一區間代表的是不同產生機制以及不同分析的結果。實驗數據結合了Run-1及Run-2質心系能量為 7 TeV、8 TeV、和13 TeV的數據。

另外,中心成員也參與了單一矢量玻色子(mono-V, i.e. mono-W/Z)的暗物質分析,並著重在利用具有同樣終態的事件,對希格斯玻色子衰變到無法透過偵測器觀察到的粒子(H→invisible)的機率,設其上限值,見圖9。我們的結果發表在JHEP 1810 (2018) 180和 Phys. Rev. Lett. 122 (2019) 231801。

 

重力波研究:

本中心新進教師Yuki Inoue在2018年獲得科技部愛因斯坦培育計畫的補助,加入位於日本神岡的KAGRA重力波干涉儀研究團隊,並負責干涉儀的校正系統。KAGRA是世界上第三個大型重力波偵測器,主要的結構放在兩個3公里長,互相垂直的地下隧道中。高能雷射光在這兩個通道反射後再會合,根據其會合後的干涉現象,可以偵測兩個垂直方向距離的差異(見圖17)。當重力波通過這個干涉儀,讓互相垂直的空間方向上距離產生不同的變化,干涉儀感應到這個變化,就可以偵測到重力波的存在。

圖17:KAGRA設備的即時狀態顯示。

本中心的重力波團隊在KAGRA負責反射鏡位置校正系統。這個系統的目的在於確定反射鏡位移和干涉儀信號大小的關係,這是將干涉儀信號轉換為重力波強度的關鍵參數。我們運用另一組雷射,將雷射光打在反射鏡上,利用光壓產生極微弱的推力,模擬重力波現象。這個系統稱為Photon pressure Calibration (PCAL),在中央大學的實驗室設計建造,已安裝到KAGRA系統當中。圖18顯示實際運行中校正信號所造成的干涉儀反應,顯示我們成功的將反射鏡推動了10-14公尺(僅略大於一個原子核的大小)。KAGRA系統開始運作時,我們的校正系統將同步運行,提供即時校正數據。

圖18:校正系統推動KAGRA反射鏡面,造成的干涉儀反應。藍線為預測的光壓強度,紅線為實際觀測到的干涉儀位移。

在建立PCAL的同時,我們也設計了一個重力直接作用與反射鏡的校正系統。這個系統將高密度的物體置於反射鏡附近,並進行週期性運動,這個物體的質量產生重力場,直接作用於反射鏡上,讓反射鏡位移。由於這是重力的效應,不牽涉任何電磁作用力,其校正結果排除大量的系統誤差,可望成為重力干涉儀的校正基準。這個系統稱為Gravitational field Calibrator (GCAL),同樣是在中央大學設計建造(圖19)。GCAL已經運送到KAGRA實驗所在地,預期在2020年5月開始運作。同樣的設計已經被美國的LIGO重力波干涉儀採納,他們也將複製此系統並用於LIGO的校正。

圖19:重力校正系統(GCAL)。

未來本中心團隊將繼續負責校正系統的運作與改進。也將負責提供KAGRA團隊即時校正數據。透過這個工作,我們也會積極參與KAGRA的數據分析。後續計畫詳見以下109-111年規劃。