“悟空”测量到“拐折”：距离发现暗物质还有多远？

核心提示：暗物质，被称为现代物理学天空的乌云之一，它占宇宙总比重约27%，比我们熟知的普通物质多5倍。但它却又不同于现代物理学里已知的任何种类或形态的物质。科学家认为，对暗物质本质的理解，可能会带来对现代物理学颠覆性的突破。

近日，《自然》杂志报告了中国暗物质粒子探测卫星“悟空”的首批探测成果：“悟空”测量到电子宇宙射线能谱在1.4万亿电子伏特(TeV)能量处的一个“拐折”，这或许代表着暗物质“幽灵”一闪而过的身影。

暗物质，被称为现代物理学天空的乌云之一，它占宇宙总比重约27%，比我们熟知的普通物质多5倍。但它却又不同于现代物理学里已知的任何种类或形态的物质。科学家认为，对暗物质本质的理解，可能会带来对现代物理学颠覆性的突破。

但是，“悟空”这次的发现能说明暗物质存在吗？它又是如何发现这个可能的暗物质“身影”？对此，南方日报记者采访了紫金山天文台“悟空”团队的科学家，对这些问题进行解读。

“悟空”看到了宇宙中的什么？

“悟空”于2015年12月17日发射升空，英文名叫DAMPE，也即“暗物质粒子探测卫星”(Dark Matter Particle Explorer)的缩写。“悟空”飞天，其核心任务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。

尽管耗资1亿美元的“悟空”号成本相对较低(国际上的空间暗物质探测器阿尔法磁谱仪AMS-02、费米卫星分别耗资20亿、7亿美元)，但“悟空”号有两项关键技术指标——“高能电子、伽马射线的能量测量准确度”和“区分不同种类粒子”的本领，却在世界上领先。而且，它尤其适合寻找暗物质粒子湮灭过程中产生的一些非常尖锐的能谱(指电子数目随能量变化的情况)信号。

对于“悟空”这一新发现，《自然》中国区科学总监印格致(Ed Gerstner)引用了科幻作家阿西莫夫的话来形容——

在科学探索中能听到的最激动人心的一句话，即在最重要的新发现之前出现的短语，不是“尤里卡，我找到了”，而是“嗯……这挺奇怪！”

在此次公布的“悟空”观测数据中，最出乎科学家预料的是：电子宇宙射线能谱在1.4万亿电子伏特能量处产生了一个“拐折”。

“悟空”团队科学家、中国科学院紫金山天文台研究员袁强告诉南方日报记者，“我们认为这个‘拐折’主要是来自于天文原因，很可能和高能电子源的空间分布有关，从而也表明TeV能量以下的电子不是主要来自于暗物质。更出乎意料的是，在1.4万亿电子伏特能量处电子数目突然增多，在能谱上体现为一个跳点。如果这一现象得到后续更多的观测数据证实，这将是一个重大发现”。

袁强介绍，这种现象有两种解释：除了可能是来自于暗物质粒子湮灭的信号外，还有可能意味着太阳系邻近区域，存在某种“奇特天体”可以将电子加速到单一能量。

不过，即使不是暗物质，这种能够发出“跳点”信号的天体，也是前所未有的新发现。

距离发现暗物质还有多远？

“大质量弱相互作用粒子”，这是科学界对暗物质粒子模型的主流设想。按这种模型，如果暗物质由大质量弱相互作用粒子构成的话，这些粒子偶尔会发生互相湮灭，并且形成正负电子对。从本质上说，暗物质本身不可见，但暗物质湮灭或衰变时会产生看得见的粒子。“悟空”的“火眼金睛”，正是通过寻找“大质量弱相互作用粒子”湮灭的信号，间接证实暗物质。

科学家曾用“盲人摸象”形容对“悟空”原始数据的处理。据了解，“悟空”每天传送回500万个粒子信息，粒子包括原子、电子、中子等。原子由原子核和绕核运动的电子组成，电子与正电子会因碰撞而湮灭，并在这过程中产生光子。500万个粒子信息中，电子只有不到千分之一，而光子只有十万到百万分之一。

对于科学家来说，“悟空”在近两年在轨时间里获得的数据仍然不够，他们还需要更多工作来确认新的发现。

暗物质卫星科学应用系统副总设计师、中国科学院紫金山天文台研究员范一中告诉南方日报记者，“数据中存在有趣的现象，可能和暗物质有关系。但是现在我们项目组最重要的是积累更多数据，开展独立的分析方法，确定1.4万亿电子伏特能量处超出是一个真实的物理信号而不是统计涨落。”

袁强也表示，“根据现有数据，这个结构有百分之零点零几的可能性是一个假信号。而我们需要把这个可能性进一步降低，那样才有把握说我们发现了新现象。”

“再过1—3年，预期它在我们最为期待的1.4万亿电子伏特能量处观测电子数将积累到150—200个，那时结论会更确定。无论这些电子来源于哪里，都将是粒子物理或天体物理领域的崭新发现。”“悟空”首席科学家、中科院紫金山天文台副台长常进此前曾表示。

袁强还表示，“悟空”的数据里还包括大量的宇宙射线以及一些伽马射线，这些数据对于天体物理的研究也很重要，也需要我们逐步加以分析和发掘。

怎样才能寻找到暗物质？

“暗物质是目前粒子物理标准模型之外的一种全新的粒子。”从事暗物质研究的中国科学院高能物理所研究员毕效军对南方日报记者表示，直接找到暗物质并确认其属性，能够为我们探索比标准模型更深层次的物理规律提供了线索，可以说是打开了走向更深层物质规律的一扇门。

袁强也表示，暗物质属性奇特，它们不发光、不参与电磁作用，不同于现代物理学里已知的任何种类、形态的物质。对暗物质本质的理解，必然将带来对现代物理学的突破，而这个突破很可能是颠覆性的。

袁强告诉记者，目前，科学界探测暗物质主要有三种办法：“悟空”采用的是空间间接观测法，原理是观测暗物质粒子湮灭或衰变产生的普通粒子来间接探测暗物质。

据了解，除了“悟空”号，还有国际空间站上正在进行的AMS-02实验、美国的费米卫星实验都在寻找暗物质信号，他们和“悟空”号属于相同的探测方式。

另一种办法是直接探测，原理是建造大型探测器，等待暗物质粒子“撞上来”。“因为空气中有大量的宇宙射线辐射，为得到一个干净的测量环境，通常这类实验要到很深的地下去做。目前，我国在四川锦屏山下建有一个国际上最深的深地实验室，是非常理想的暗物质探测实验室。现今，锦屏实验室开展有PandaX和CDEX两个暗物质探测实验。”袁强表示，第三种办法则是通过高能粒子对撞机制造出暗物质粒子。这三种办法可互为补充，共同为揭开暗物质之谜努力。（记者 王诗堃）

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据人民日报报道，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。”

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