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“悟空”还能带来多少惊奇

2017-12-01 10:45 来源:人民日报 吴月辉

  朱慧卿绘

  暗物质粒子探测卫星“悟空”(DAMPE)团队日前在北京发布首批科学成果。首席科学家常进宣布,“悟空”卫星在轨运行的前530天共采集了约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能谱。该能谱将有助于发现暗物质存在的蛛丝马迹。

  该成果于北京时间2017年11月30日在《自然》杂志在线发表。

  为啥探

  寻找暗物质、研究暗能量,是天文学物理学发展的重要趋势

  天文观测表明,宇宙中除了人类目前熟悉的普通物质(也就是标准粒子物理模型能解释的物质)之外,还存在暗物质。

  “它们是一种特殊的物质,很可能是一种不参与电磁相互作用的、我们已知的粒子(如质子、电子、中子等)之外的全新粒子。这种物质不发光,也就是不发出电磁波,所以看不见。于是,我们就称它为暗物质。”中科院高能物理所研究员、博士生导师张新民说,“与通常物质一样,暗物质有引力作用,这让天文学家在宇宙空间发现暗物质占宇宙的23%,另外73%是暗能量。而组成我们身边这个世界的‘常规物质’只占4%。”

  虽然人们早已经猜测到暗物质可能存在,但一直以来从未明确探测到暗物质粒子,因此还不能确定暗物质的性质。

  目前,寻找暗物质粒子、研究暗能量的物理本质、探索宇宙起源及演化的奥秘、结合粒子物理和宇宙学的研究已成为21世纪天文学和物理学发展的一个重要趋势。世界各国都在集中人力、物力和财力组织攻关。探测和研究暗物质为何如此重要?

  张新民说:“对于宇宙中4%的物质,即所谓的通常物质,已经建立了一套完备理论,即所谓标准模型进行描述。但是标准模型并不能描述宇宙中暗物质的现象,我们对于物质的基本组元、基本结构还有待深入研究。而暗物质是目前最明确的突破了标准模型的观测现象,了解暗物质的性质就可能带我们走进基本粒子更加深入细微的结构中,了解更加深刻、基本的物质构成规律。另一方面,了解暗物质的性质对于我们理解像星系、星系团这样大尺度的结构如何在宇宙演化过程中形成也同样有重要意义。”

  怎么探

  通过空间间接探测,寻找暗物质粒子存在证据

  暗物质之所以“暗”,不仅是指它不发光,更重要的是它太难捉摸。

  “每天可能有几万亿个暗物质以高速穿过你的身体,且未留下任何痕迹,让你完全感受不到。”张新民做了个比较,56式半自动步枪子弹出膛的速度是每秒700米,而这些暗物质粒子却是以每秒220千米的高速在运动,是前者的300多倍。

  那么,怎么探测到暗物质呢?科学家们曾对这种物质可能的形态做过很多理论上的猜测,例如,惰性中微子温暗物质、引力微子温暗物质、轴子冷暗物质等。

  张新民说:“就目前而言,被研究得最多、也是最被粒子物理学家看好的暗物质模型是所谓弱作用重粒子。这种粒子与普通物质有弱相互作用,具有可探测性。其他模型由于与普通物质的相互作用更弱,在目前的实验水平下能探测到它们的可能性更小。”

  目前,探测暗物质粒子的方法主要有3种:间接探测、直接探测以及对撞机探测。

  间接探测,是通过探测暗物质粒子相互碰撞湮灭后产生的看得见的粒子(高能电子)信号。由于暗物质粒子产生的信号很微弱, 所以一般需要把高能量分辨、高空间分辨、高统计量、低本底的高能粒子望远镜放置在太空来进行探测。

  直接探测,是通过探测用原子核与暗物质碰撞产生的信号。可是在地面上,因为宇宙射线众多,这些信号会对直接探测产生干扰,影响其鉴别能力。因此,地下实验室可以帮助探测器“挡”去干扰,让其“静心”工作。

  对撞机探测则并不像前两种那样去追踪暗物质湮灭所产生的信号,而是试图在实验室中通过普通粒子来创造暗物质粒子。

  常进说:“‘悟空’卫星是属于空间间接探测,它的核心使命就是在宇宙线和伽马射线辐射中寻找暗物质粒子存在的证据,并进行天体物理研究。”

  探到啥

  发现能谱精细结构,将是天体物理的开创性发现

  “悟空”卫星于2015年12月17日发射成功,是中国的首颗天文卫星。其在轨运行530天间,平均每秒记录60个高能粒子,平均每天记录500多万个高能粒子。“悟空”卫星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(5GeV—10TeV)电子、伽马射线的“经济适用型”观测。

  常进说:“1GeV=10亿电子伏特,而1TeV=1万亿电子伏特;人类眼睛最敏感的可见光的能量约为2电子伏特。‘悟空’卫星对电子宇宙射线的能量测量范围比起国外同类空间探测设备(阿尔法磁谱仪AMS—02, Fermi—LAT)有显著提高。”

  常进进一步解释:“‘悟空’卫星在‘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世界领先,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(能谱指的是电子数目随能量的变化情况)信号。而且,‘悟空’卫星测量到的TeV电子的‘纯净’程度也最高(也就是其中混入的质子数量最少),能谱的准确性高。”因为“悟空”卫星上述的优秀性能,从而获得了关于电子宇宙射线观测的最好结果。

  专家表示,此次“悟空”卫星还有更惊喜的发现。

  常进说:“‘悟空’卫星首次直接测量到了电子宇宙射线能谱在~1TeV处的拐折,也就是高能电子数量突然下降,在能谱分布上形成了一个尖锐的凸起。该拐折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着关键性作用。”此外,“悟空”卫星的数据初步显示在~1.4TeV处存在能谱精细结构,即高能电子数量忽然上升又下降的尖锐变化。

  “目前‘悟空’卫星运行状态良好,正持续收集数据,一旦该精细结构得以确证,将是粒子物理或天体物理领域的开创性发现。”常进说。

  中科院院士吴岳良表示,“‘悟空’新发现的能谱精细结构超出了科学家的常规理解,可能是暗物质粒子存在的新证据”。

  对此,自然科研中国区科学总监印格致博士表示,“悟空”此次的成果展示了中国技术实力发展的一个里程碑,“这次研究中实现的测量所需的精湛技术是无与伦比的,未来可能会帮助中国解决其他我们现在还想不到的技术挑战。”

  版式设计:张芳曼

(责任编辑:王蔚)

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