暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星“悟空”（DAMPE）團(tuán)隊(duì)日前在北京發(fā)布首批科學(xué)成果。首席科學(xué)家常進(jìn)宣布，“悟空”衛(wèi)星在軌運(yùn)行的前530天共采集了約28億顆高能宇宙射線(xiàn)，其中包含約150萬(wàn)顆25GeV以上的電子宇宙射線(xiàn)?；谶@些數(shù)據(jù)，科研人員成功獲取了目前國(guó)際上精度最高的電子宇宙射線(xiàn)能譜。該能譜將有助于發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)存在的蛛絲馬跡。
該成果于北京時(shí)間2017年11月30日在《自然》雜志在線(xiàn)發(fā)表。
為啥探
尋找暗物質(zhì)、研究暗能量，是天文學(xué)物理學(xué)發(fā)展的重要趨勢(shì)
天文觀測(cè)表明，宇宙中除了人類(lèi)目前熟悉的普通物質(zhì)（也就是標(biāo)準(zhǔn)粒子物理模型能解釋的物質(zhì)）之外，還存在暗物質(zhì)。
“它們是一種特殊的物質(zhì)，很可能是一種不參與電磁相互作用的、我們已知的粒子（如質(zhì)子、電子、中子等）之外的全新粒子。這種物質(zhì)不發(fā)光，也就是不發(fā)出電磁波，所以看不見(jiàn)。于是，我們就稱(chēng)它為暗物質(zhì)。”中科院高能物理所研究員、博士生導(dǎo)師張新民說(shuō)，“與通常物質(zhì)一樣，暗物質(zhì)有引力作用，這讓天文學(xué)家在宇宙空間發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)占宇宙的23%，另外73%是暗能量。而組成我們身邊這個(gè)世界的‘常規(guī)物質(zhì)’只占4%。”
雖然人們?cè)缫呀?jīng)猜測(cè)到暗物質(zhì)可能存在，但一直以來(lái)從未明確探測(cè)到暗物質(zhì)粒子，因此還不能確定暗物質(zhì)的性質(zhì)。
目前，尋找暗物質(zhì)粒子、研究暗能量的物理本質(zhì)、探索宇宙起源及演化的奧秘、結(jié)合粒子物理和宇宙學(xué)的研究已成為21世紀(jì)天文學(xué)和物理學(xué)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。世界各國(guó)都在集中人力、物力和財(cái)力組織攻關(guān)。探測(cè)和研究暗物質(zhì)為何如此重要？
張新民說(shuō)：“對(duì)于宇宙中4%的物質(zhì)，即所謂的通常物質(zhì)，已經(jīng)建立了一套完備理論，即所謂標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行描述。但是標(biāo)準(zhǔn)模型并不能描述宇宙中暗物質(zhì)的現(xiàn)象，我們對(duì)于物質(zhì)的基本組元、基本結(jié)構(gòu)還有待深入研究。而暗物質(zhì)是目前最明確的突破了標(biāo)準(zhǔn)模型的觀測(cè)現(xiàn)象，了解暗物質(zhì)的性質(zhì)就可能帶我們走進(jìn)基本粒子更加深入細(xì)微的結(jié)構(gòu)中，了解更加深刻、基本的物質(zhì)構(gòu)成規(guī)律。另一方面，了解暗物質(zhì)的性質(zhì)對(duì)于我們理解像星系、星系團(tuán)這樣大尺度的結(jié)構(gòu)如何在宇宙演化過(guò)程中形成也同樣有重要意義。”
怎么探
通過(guò)空間間接探測(cè)，尋找暗物質(zhì)粒子存在證據(jù)
暗物質(zhì)之所以“暗”，不僅是指它不發(fā)光，更重要的是它太難捉摸。
“每天可能有幾萬(wàn)億個(gè)暗物質(zhì)以高速穿過(guò)你的身體，且未留下任何痕跡，讓你完全感受不到。”張新民做了個(gè)比較，56式半自動(dòng)步槍子彈出膛的速度是每秒700米，而這些暗物質(zhì)粒子卻是以每秒220千米的高速在運(yùn)動(dòng)，是前者的300多倍。
那么，怎么探測(cè)到暗物質(zhì)呢？科學(xué)家們?cè)鴮?duì)這種物質(zhì)可能的形態(tài)做過(guò)很多理論上的猜測(cè)，例如，惰性中微子溫暗物質(zhì)、引力微子溫暗物質(zhì)、軸子冷暗物質(zhì)等。
張新民說(shuō)：“就目前而言，被研究得最多、也是最被粒子物理學(xué)家看好的暗物質(zhì)模型是所謂弱作用重粒子。這種粒子與普通物質(zhì)有弱相互作用，具有可探測(cè)性。其他模型由于與普通物質(zhì)的相互作用更弱，在目前的實(shí)驗(yàn)水平下能探測(cè)到它們的可能性更小。”
目前，探測(cè)暗物質(zhì)粒子的方法主要有3種：間接探測(cè)、直接探測(cè)以及對(duì)撞機(jī)探測(cè)。
間接探測(cè)，是通過(guò)探測(cè)暗物質(zhì)粒子相互碰撞湮滅后產(chǎn)生的看得見(jiàn)的粒子（高能電子）信號(hào)。由于暗物質(zhì)粒子產(chǎn)生的信號(hào)很微弱，所以一般需要把高能量分辨、高空間分辨、高統(tǒng)計(jì)量、低本底的高能粒子望遠(yuǎn)鏡放置在太空來(lái)進(jìn)行探測(cè)。
直接探測(cè)，是通過(guò)探測(cè)用原子核與暗物質(zhì)碰撞產(chǎn)生的信號(hào)。可是在地面上，因?yàn)橛钪嫔渚€(xiàn)眾多，這些信號(hào)會(huì)對(duì)直接探測(cè)產(chǎn)生干擾，影響其鑒別能力。因此，地下實(shí)驗(yàn)室可以幫助探測(cè)器“擋”去干擾，讓其“靜心”工作。
對(duì)撞機(jī)探測(cè)則并不像前兩種那樣去追蹤暗物質(zhì)湮滅所產(chǎn)生的信號(hào)，而是試圖在實(shí)驗(yàn)室中通過(guò)普通粒子來(lái)創(chuàng)造暗物質(zhì)粒子。
常進(jìn)說(shuō)：“‘悟空’衛(wèi)星是屬于空間間接探測(cè)，它的核心使命就是在宇宙線(xiàn)和伽馬射線(xiàn)輻射中尋找暗物質(zhì)粒子存在的證據(jù)，并進(jìn)行天體物理研究。”
探到啥
發(fā)現(xiàn)能譜精細(xì)結(jié)構(gòu)，將是天體物理的開(kāi)創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)
“悟空”衛(wèi)星于2015年12月17日發(fā)射成功，是中國(guó)的首顆天文衛(wèi)星。其在軌運(yùn)行530天間，平均每秒記錄60個(gè)高能粒子，平均每天記錄500多萬(wàn)個(gè)高能粒子。“悟空”衛(wèi)星采用了中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)研究人員自主提出的分辨粒子種類(lèi)的新探測(cè)技術(shù)方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高能（5GeV—10TeV）電子、伽馬射線(xiàn)的“經(jīng)濟(jì)適用型”觀測(cè)。
常進(jìn)說(shuō)：“1GeV=10億電子伏特，而1TeV=1萬(wàn)億電子伏特；人類(lèi)眼睛最敏感的可見(jiàn)光的能量約為2電子伏特。‘悟空’衛(wèi)星對(duì)電子宇宙射線(xiàn)的能量測(cè)量范圍比起國(guó)外同類(lèi)空間探測(cè)設(shè)備（阿爾法磁譜儀AMS—02， Fermi—LAT）有顯著提高。”
常進(jìn)進(jìn)一步解釋?zhuān)?ldquo;‘悟空’衛(wèi)星在‘高能電子、伽馬射線(xiàn)的能量測(cè)量準(zhǔn)確度’以及‘區(qū)分不同種類(lèi)粒子的本領(lǐng)’這兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)方面世界領(lǐng)先，尤其適合尋找暗物質(zhì)粒子湮滅過(guò)程產(chǎn)生的一些非常尖銳的能譜（能譜指的是電子數(shù)目隨能量的變化情況）信號(hào)。而且，‘悟空’衛(wèi)星測(cè)量到的TeV電子的‘純凈’程度也最高（也就是其中混入的質(zhì)子數(shù)量最少），能譜的準(zhǔn)確性高。”因?yàn)?ldquo;悟空”衛(wèi)星上述的優(yōu)秀性能，從而獲得了關(guān)于電子宇宙射線(xiàn)觀測(cè)的最好結(jié)果。
專(zhuān)家表示，此次“悟空”衛(wèi)星還有更驚喜的發(fā)現(xiàn)。
常進(jìn)說(shuō)：“‘悟空’衛(wèi)星首次直接測(cè)量到了電子宇宙射線(xiàn)能譜在~1TeV處的拐折，也就是高能電子數(shù)量突然下降，在能譜分布上形成了一個(gè)尖銳的凸起。該拐折反映了宇宙中高能電子輻射源的典型加速能力，其精確的下降行為對(duì)于判定部分（能量低于1TeV）電子宇宙射線(xiàn)是否來(lái)自于暗物質(zhì)起著關(guān)鍵性作用。”此外，“悟空”衛(wèi)星的數(shù)據(jù)初步顯示在~1.4TeV處存在能譜精細(xì)結(jié)構(gòu)，即高能電子數(shù)量忽然上升又下降的尖銳變化。
“目前‘悟空’衛(wèi)星運(yùn)行狀態(tài)良好，正持續(xù)收集數(shù)據(jù)，一旦該精細(xì)結(jié)構(gòu)得以確證，將是粒子物理或天體物理領(lǐng)域的開(kāi)創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)。”常進(jìn)說(shuō)。
中科院院士吳岳良表示，“‘悟空’新發(fā)現(xiàn)的能譜精細(xì)結(jié)構(gòu)超出了科學(xué)家的常規(guī)理解，可能是暗物質(zhì)粒子存在的新證據(jù)”。
對(duì)此，自然科研中國(guó)區(qū)科學(xué)總監(jiān)印格致博士表示，“悟空”此次的成果展示了中國(guó)技術(shù)實(shí)力發(fā)展的一個(gè)里程碑，“這次研究中實(shí)現(xiàn)的測(cè)量所需的精湛技術(shù)是無(wú)與倫比的，未來(lái)可能會(huì)幫助中國(guó)解決其他我們現(xiàn)在還想不到的技術(shù)挑戰(zhàn)。”
