科技報報/「悟空」還能帶來多少驚奇

暗物質粒子探測衞星「悟空」(DAMPE)團隊日前在北京發布首批科學成果。首席科學家常進宣布,「悟空」衞星在軌執行的前530天共採集了約28億顆高能宇宙射線,其中包含約150萬顆25GeV以上的電子宇宙射線。基於這些數據,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能譜。該能譜將有助於發現暗物質存在的蛛絲馬跡。

該成果於北京時間2017年11月30日在《自然》雜誌在線發表。

為啥探?尋找暗物質、研究暗能量,是天文學物理學發展的重要趨勢

天文觀測表明,宇宙中除了人類目前熟悉的普通物質(也就是標準粒子物理模型能解釋的物質)之外,還存在暗物質。

「它們是一種特殊的物質,很可能是一種不參與電磁相互作用的、我們已知的粒子(如質子、電子、中子等)之外的全新粒子。這種物質不發光,也就是不發出電磁波,所以看不見。於是,我們就稱它為暗物質。」中科院高能物理所研究員、博士生導師張新民說,「與通常物質一樣,暗物質有引力作用,這讓天文學家在宇宙空間發現暗物質占宇宙的23%,另外73%是暗能量。而組成我們身邊這個世界的『常規物質』只占4%。」

雖然人們早已經猜測到暗物質可能存在,但一直以來從未明確探測到暗物質粒子,因此還不能確定暗物質的性質。

目前,尋找暗物質粒子、研究暗能量的物理本質、探索宇宙起源及演化的奧祕、結合粒子物理和宇宙學的研究已成為21世紀天文學和物理學發展的一個重要趨勢。世界各國都在集中人力、物力和財力組織攻關。探測和研究暗物質為何如此重要?

張新民說:「對於宇宙中4%的物質,即所謂的通常物質,已經建立了一套完備理論,即所謂標準模型進行描述。但是標準模型並不能描述宇宙中暗物質的現象,我們對於物質的基本組元、基本結構還有待深入研究。而暗物質是目前最明確的突破了標準模型的觀測現象,了解暗物質的性質就可能帶我們走進基本粒子更加深入細微的結構中,了解更加深刻、基本的物質構成規律。另一方面,了解暗物質的性質對於我們理解像星系、星系團這樣大尺度的結構如何在宇宙演化過程中形成也同樣有重要意義。」

怎麼探?通過空間間接探測,尋找暗物質粒子存在證據

暗物質之所以「暗」,不僅是指它不發光,更重要的是它太難捉摸。

「每天可能有幾萬億個暗物質以高速穿過你的身體,且未留下任何痕跡,讓你完全感受不到。」張新民做了個比較,56式半自動步槍子彈出膛的速度是每秒700公尺,而這些暗物質粒子卻是以每秒220000公尺的高速在運動,是前者的300多倍。

那麼,怎麼探測到暗物質呢?科學家們曾對這種物質可能的形態做過很多理論上的猜測,例如,惰性中微子溫暗物質、引力微子溫暗物質、軸子冷暗物質等。

張新民說:「就目前而言,被研究得最多、也是最被粒子物理學家看好的暗物質模型是所謂弱作用重粒子。這種粒子與普通物質有弱相互作用,具有可探測性。其他模型由於與普通物質的相互作用更弱,在目前的實驗水平下能探測到它們的可能性更小。」

目前,探測暗物質粒子的方法主要有3種:間接探測、直接探測以及對撞機探測。

間接探測,是通過探測暗物質粒子相互碰撞湮滅後產生的看得見的粒子(高能電子)訊號。由於暗物質粒子產生的訊號很微弱, 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進行探測。

直接探測,是通過探測用原子核與暗物質碰撞產生的訊號。可是在地面上,因為宇宙射線眾多,這些訊號會對直接探測產生干擾,影嚮其鑑別能力。因此,地下實驗室可以幫助探測器「擋」去干擾,讓其「靜心」工作。

對撞機探測則並不像前兩種那樣去追蹤暗物質湮滅所產生的訊號,而是試圖在實驗室中通過普通粒子來創造暗物質粒子。

常進說:「『悟空』衞星是屬於空間間接探測,它的核心使命就是在宇宙線和伽馬射線輻射中尋找暗物質粒子存在的證據,並進行天體物理研究。」

探到啥?發現能譜精細結構,將是天體物理的開創性發現

「悟空」衞星於2015年12月17日發射成功,是中國的首顆天文衞星。其在軌執行530天間,平均每秒記錄60個高能粒子,平均每天記錄500多萬個高能粒子。「悟空」衞星採用了中國科學院紫金山天文台研究人員自主提出的分辨粒子種類的新探測技術方法,實現了對高能(5GeV-10TeV)電子、伽馬射線的「經濟適用型」觀測。

常進說:「1GeV=10億電子伏特,而1TeV=1兆電子伏特;人類眼睛最敏感的可見光的能量約為2電子伏特。『悟空』衞星對電子宇宙射線的能量測量範圍比起國外同類空間探測設備(阿爾法磁譜儀AMS-02, Fermi-LAT)有顯著提高。」

常進進一步解釋:「『悟空』衞星在『高能電子、伽馬射線的能量測量準確度』以及『區分不同種類粒子的本領』這兩項關鍵技術指標方面世界領先,尤其適合尋找暗物質粒子湮滅過程產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)訊號。而且,『悟空』衞星測量到的TeV電子的『純淨』程度也最高(也就是其中混入的質子數量最少),能譜的準確性高。」因為「悟空」衞星上述的優秀性能,從而獲得了關於電子宇宙射線觀測的最好結果。

專家表示,此次「悟空」衞星還有更驚喜的發現。

常進說:「『悟空』衞星首次直接測量到了電子宇宙射線能譜在~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於判定部分(能量低於1TeV)電子宇宙射線是否來自於暗物質起著關鍵性作用。」此外,「悟空」衞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』衞星執行狀態良好,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域的開創性發現。」常進說。

中科院院士吳岳良表示,「『悟空』新發現的能譜精細結構超出了科學家的常規理解,可能是暗物質粒子存在的新證據」。

對此,自然科研中國區科學總監印格致博士表示,「悟空」此次的成果展示了中國技術實力發展的一個裡程碑,「這次研究中實現的測量所需的精湛技術是無與倫比的,未來可能會幫助中國解決其他我們現在還想不到的技術挑戰。」