暗物質(zhì)粒子探測衛星“悟空”（DAMPE）團隊日前在北京發(fā)布首批科學(xué)成果。首席科學(xué)家常進(jìn)宣布，“悟空”衛星在軌運行的前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@些數據，科研人員成功獲取了目前國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
天文觀(guān)測表明，宇宙中除了人類(lèi)目前熟悉的普通物質(zhì)（也就是標準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‘常規物質(zhì)’只占4%。”
雖然人們早已經(jīng)猜測到暗物質(zhì)可能存在，但一直以來(lái)從未明確探測到暗物質(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、結合粒子物理和宇宙學(xué)的研究已成為21世紀天文學(xué)和物理學(xué)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢。世界各國都在集中人力、物力和財力組織攻關(guān)。探測和研究暗物質(zhì)為何如此重要？
張新民說(shuō)：“對于宇宙中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，即所謂標準模型進(jìn)行描述。但是標準模型并不能描述宇宙中暗物質(zhì)的現象，我們對于物質(zhì)的基本組元、基本結構還有待深入研究。而暗物質(zhì)是目前最明確的突破了標準模型的觀(guān)測現象，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微的結構中，了解更加深刻、基本的物質(zhì)構成規律。另一方面，了解暗物質(zhì)的性質(zhì)對于我們理解像星系、星系團這樣大尺度的結構如何在宇宙演化過(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，尋找暗物質(zhì)粒子存在證據
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220千米的高速在運動(dòng)，是前者的300多倍。
那么，怎么探測到暗物質(zhì)呢？科學(xué)家們曾對這種物質(zhì)可能的形態(tài)做過(guò)很多理論上的猜測，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)驗水平下能探測到它們的可能性更小。”
目前，探測暗物質(zhì)粒子的方法主要有3種：間接探測、直接探測以及對撞機探測。
間接探測，是通過(guò)探測暗物質(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。由于暗物質(zhì)粒子產(chǎn)生的信號很微弱，所以一般需要把高能量分辨、高空間分辨、高統計量、低本底的高能粒子望遠鏡放置在太空來(lái)進(jìn)行探測。
直接探測，是通過(guò)探測用原子核與暗物質(zhì)碰撞產(chǎn)生的信號?？墒窃诘孛嫔?，因為宇宙射線(xiàn)眾多，這些信號會(huì )對直接探測產(chǎn)生干擾，影響其鑒別能力。因此，地下實(shí)驗室可以幫助探測器“擋”去干擾，讓其“靜心”工作。
對撞機探測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，而是試圖在實(shí)驗室中通過(guò)普通粒子來(lái)創(chuàng )造暗物質(zhì)粒子。
常進(jìn)說(shuō)：“‘悟空’衛星是屬于空間間接探測，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，并進(jìn)行天體物理研究。”
探到啥
發(fā)現能譜精細結構，將是天體物理的開(kāi)創(chuàng )性發(fā)現
“悟空”衛星于2015年12月17日發(fā)射成功，是中國的首顆天文衛星。其在軌運行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”衛星采用了中國科學(xué)院紫金山天文臺研究人員自主提出的分辨粒子種類(lèi)的新探測技術(shù)方法，實(shí)現了對高能（5GeV—10TeV）電子、伽馬射線(xiàn)的“經(jīng)濟適用型”觀(guān)測。
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’衛星對電子宇宙射線(xiàn)的能量測量范圍比起國外同類(lèi)空間探測設備（阿爾法磁譜儀AMS—02， Fermi—LAT）有顯著(zhù)提高。”
常進(jìn)進(jìn)一步解釋?zhuān)?ldquo;‘悟空’衛星在‘高能電子、伽馬射線(xiàn)的能量測量準確度’以及‘區分不同種類(lèi)粒子的本領(lǐng)’這兩項關(guān)鍵技術(shù)指標方面世界領(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（能譜指的是電子數目隨能量的變化情況）信號。而且，‘悟空’衛星測量到的TeV電子的‘純凈’程度也最高（也就是其中混入的質(zhì)子數量最少），能譜的準確性高。”因為“悟空”衛星上述的優(yōu)秀性能，從而獲得了關(guān)于電子宇宙射線(xiàn)觀(guān)測的最好結果。
專(zhuān)家表示，此次“悟空”衛星還有更驚喜的發(fā)現。
常進(jìn)說(shuō)：“‘悟空’衛星首次直接測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(zhù)關(guān)鍵性作用。”此外，“悟空”衛星的數據初步顯示在~1.4TeV處存在能譜精細結構，即高能電子數量忽然上升又下降的尖銳變化。
“目前‘悟空’衛星運行狀態(tài)良好，正持續收集數據，一旦該精細結構得以確證，將是粒子物理或天體物理領(lǐng)域的開(kāi)創(chuàng )性發(fā)現。”常進(jìn)說(shuō)。
中科院院士吳岳良表示，“‘悟空’新發(fā)現的能譜精細結構超出了科學(xué)家的常規理解，可能是暗物質(zhì)粒子存在的新證據”。
對此，自然科研中國區科學(xué)總監印格致博士表示，“悟空”此次的成果展示了中國技術(shù)實(shí)力發(fā)展的一個(gè)里程碑，“這次研究中實(shí)現的測量所需的精湛技術(shù)是無(wú)與倫比的，未來(lái)可能會(huì )幫助中國解決其他我們現在還想不到的技術(shù)挑戰。”
