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530天,“悟空”捉妖记 | 中国暗物质粒子探测卫星取得重大突破

 
撰文 | 吕浩然
责编 | 陈晓雪
 
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人们对于“悟空”最大的期待,就是借着它的“火眼金睛”捕捉到暗物质的踪影。用暗物质卫星首席科学家、紫金山天文台副台长常进研究员的话讲,“我们想通过‘悟空’的火眼金睛,找到暗物质这个‘妖魔鬼怪’”。
 
“悟空”指的是中国的暗物质粒子探测卫星DAMPE(dark matter particle explorer),2015年12月17日发射升空。近两年的时间过去了,它究竟捉到暗物质这个“妖魔鬼怪”了么?11月27日上午,中国科学院在京发布了“悟空”取得的重大突破。
 
530天的“捉妖”记录
 
天文学家认为,宇宙中只有4%的物质是我们可以看到的,但绝大部分是由看不见的神秘东西构成的,他们称其中的23%为暗物质,73%甚至以上的部分为暗能量。根据目前理论物理学家的解释,如果暗物质粒子相互碰撞并湮灭,将转换为高能电子。
 
据常进介绍,“悟空”运行期间,每秒会捕捉、探测到60个高能粒子,平均每天就有500万个高能粒子。而“悟空”能够观测的是能量区间为GeV-10TeV(10亿电子伏特—10万亿电子伏特)的电子和伽马射线,如此大的能量区间跨度要求单个探测器的动态范围达100万倍,否则将无法鉴别粒子。
 
在轨运行的前530天里,“悟空”卫星共采集了约28亿颗高能宇宙射线,其中包含约150万颗25GeV以上的电子宇宙射线。基于这些数据,科研人员成功获取了目前国际上精度最高的电子宇宙射线测量结果(图3)。北京时间2017年11月30日,Nature杂志在线发表了这一结果[1]。
 
从“悟空”已经获得的数据中不难发现,“悟空”探测的电子宇宙射线的能量测量范围比起国外的空间探测设备有了显著地提高,“悟空”也是世界上首个在空间观测TeV以上波段的探测卫星,拓展了我们观察宇宙的窗口。
 
此外,值得注意的是:“悟空”首次直接测量到了电子宇宙射线能谱在接近1TeV处的“拐折”,该拐折也反映了宇宙中高能电子辐射源的典型加速能力,其精确的下降行为或对于判定部分(能量低于1TeV)电子宇宙射线是否来自于暗物质起到关键性作用。
 
本领高强的“悟空”
 
“‘悟空号’凭借中国科学家特有的设计方案和中国工程师独特的探测器制造技术,实现了国际上最精确和最高效的探测,经过一年多的数据积累,终于有了重大发现。”中国科学院院长白春礼在27日的新闻发布会上介绍说。
 
目前,人类共发射了四颗暗物质探测卫星,分别是阿尔法磁谱仪AMS-02(the Alpha Magnetic Spectrometer)、美国费米卫星Fermi-LAT(the Large Area Telescope on the Fermi Gamma-Ray Satellite)、日本的CALET卫星(CALorimetric Electron Telescope)以及中国的“悟空”。
 
“悟空”有哪些本领?
 
“悟空”采用了中国科学院紫金山天文台研究人员自主提出的分辨粒子种类的新探测技术方法,实现了对高能(5 GeV - 10 TeV)电子、伽马射线的“经济适用型”观测;测量到的TeV级电子的“纯净”程度最高(也就是其中混入的质子数量最少),能谱的准确性高;测量的能量区间也非常宽(GeV - 10TeV),这也是正在运行的空间高能宇宙线探测器中最宽的;位置分辨优于60微米、本底较已有探测器降低5倍。
 
“悟空”之所以被寄予厚望,主要是因为相较于已有的三颗卫星(探测器),它的本领更“高强”。之所以称其本领高强,是因为“悟空”在“高能电子、伽马射线的能量测量准确度”以及“区分不同种类粒子的本领”这两项关键技术指标方面都处于世界领先地位,尤其适合寻找暗物质粒子湮灭过程产生的一些非常尖锐的能谱(电子数目随能量的变化情况)信号。
 
据常进介绍,有别于地下直接探测和粒子加速器,空间探测暗物质属于间接探测,即通过探测暗物质粒子湮灭后产生的普通粒子来探测看不见的暗物质粒子。这一方面是因为暗物质粒子的性质与现有标准模型中的所有基本粒子均不相符;另一方面,暗物质粒子产生的信号极其微弱。
 
“因此,暗物质的空间探测需要的是高能量分辨、高空间分辨、高统计量、低本底(即噪声)的高能宇宙线望远镜。”常进表示。为了达到上述目标,研究团队自2011年12月立项之后即刻启动自主研发,历经四年时间,终将“悟空”送上天空。
 
1.4TeV处的“峰”是发现暗物质的证据?
 
针对此次“悟空”所获得的数据,研究人员将其与另外两个卫星获得的数据进行对比发现,“悟空”在低能段获取的数据与已有实验数据较为吻合,在精度上也有了很大的提高。
 
但是在1TeV以上的能量(电子)区间却快速减少,且出现了能量拐折的现象;此外,在1.4TeV处,电子能谱出现了非常尖锐的“峰”。这些结果均系首次观测到,令人惊叹——“悟空”也是首个能够探测1TeV以上能量区间的卫星。
 
那么,1.4TeV处的尖锐能谱会是证明暗物质存在的新证据么?
 
中国科学院大学常务副校长、中国科学院院士吴岳良表示,从产生机制上来看,能够产生高能电子的有两种:连续源和短爆源。但从理论上来看,除非有新的机制,否则尖锐能谱的天体物理解释并不是合适的选项。而目前“悟空”的任务是持续、稳定地运行,并尽可多的收集数据,使能谱更加“精准”。
 
常进也表示,1.4TeV处的尖锐能谱究竟是统计涨落还是确实存在的拐点,首先需要“悟空”持续地进行探测。除却电子能谱,还有其它的探测方式和方法去排除一些产生此种现象的可能性。“但无论如何,‘悟空’确实给我们提供了一些新的物理现象,这能否作为暗物质存在的证据,或者藉此产生新物理,仍有待进一步的研究,”常进说。
 
针对此次的研究成果,《知识分子》邀请到了中国PandaX暗物质探测实验组负责人、上海交通大学鸿文讲席教授季向东进行评论:
 
很高兴看到DAMPE合作组正式发表的第一个宇宙线电子(也包括正电子)能谱。这个结果来之不易,说明探测器等各方面皆运行良好,这对卫星实验来讲并不是那么容易的。除了一丝不苟的前期工作,也需要一定的运气。数据没有急于发表,而是经过一段时间的反复推敲验证,所以可靠性很高。我也对合作组取得该成果表示热烈祝贺。
 
这次发表的结果主要是电子能谱在TeV(万亿电子伏特)附近的高精度测量,并发现在这个能量附近电子的通量急剧下降。这种现象虽然在早先地面HESS实验间接探测中也有暗示,但那个实验的精度远远不够。
 
这个急剧变化是个重要结果,肯定存在着有趣的物理与天文学的根源。一种可能的解释是质量为TeV大小的暗物质粒子在银河系中心湮灭所产生的信号,但也可能是由于某种天文学原因,比如超新星爆炸的遗迹,这类实验的本身很难来判断其真正的来源。
 
上海交大主导的“熊猫计划”(PandaX)合作组是在四川锦屏地下实验室直接探测太阳系附近的暗物质粒子,所用的探测方法不同。DAMPE的结果对我们的实验是个非常鼓舞人心的好消息:如果电子通量的急剧变化是由暗物质引起的,PandaX探测器在精度足够高的时候就一定能看到。
 
巧合的是,这个月初,我们在《物理学评论快报》发表了世界最灵敏的探测结果(PRL119,181302(2017)),可惜仍未看到暗物质的迹象。我们需要迅速提高探测的体量和灵敏度,争取能尽快验证DAMPE结果及其背后蕴藏的、可能的暗物质解释,实现中国“天上地下”暗物质探测实验的紧密配合,全力推进。
 
另外,DAMPE结果的另一个非常引人注目的地方是电子谱在能量为1.4TeV的附近出现了一个疑似的“峰”,证实这个“峰”需要更多的统计量。同时,这样的“峰”在天文学上是很不容易解释的,由暗物质湮灭引起的可能性非常大。这种结果也许更为激动人心,我们也希望尽快能看到更多的数据!
 
参考文献:
[1] Direct detection of a break in the teraelectronvolt cosmic-ray spectrum of electrons and positrons, DAMPE Collaboration, Nature, DOI:10.1038/nature2447
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