发现暗物质存在关键证据？“悟空”号卫星重磅成果发布

姓名：傅高鸣 学号：16140288007

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【嵌牛导读】：从上世纪70年代开始，这种神秘物质就一直处于物理学研究的最前沿。但长期努力未能求得理想结果，科学界只是知道这种物质不仅“看不见”，其特性和标准物理模型中的任何基本粒子也都不相同，是一类全新的物质形态。如今，悟空号卫星发布了有关暗物质的成果。

【嵌牛鼻子】：暗物质

【嵌牛提问】：悟空号卫星发布的成果体现在哪些方面？

【嵌牛正文】：

北京时间2017年11月30日，《自然》杂志在线发表了中国暗物质粒子探测卫星“悟空”号（DAMPE）的首批成果。2015年12月17日，肩负着寻找暗物质粒子重任的“悟空”号从酒泉卫星发射中心成功发射。在近两年的在轨运行期间，“悟空”号采集了约28亿例高能宇宙射线，并基于这些数据获取了目前国际上精度最高的TeV电子宇宙射线探测结果。持续累积的数据有可能为我们带来暗物质或天体物理领域的重大发现。

通过空间探测器寻找暗物质粒子碰撞后产生的可见粒子，是目前探测暗物质粒子的主要手段之一。如果暗物质湮灭产生正、负电子对，将在电子宇宙射线的能谱上留下异常的特征性谱线。（见下图）根据此前阿尔法磁谱仪、费米卫星等探测器传回的能谱数据，科学家在1TeV（1012电子伏特）以下的能谱中，已经发现了一些异常。如果能够在1TeV以上的区域进一步发现暗物质特有的“截断”，将为部分射线起源于暗物质提供关键的证据。

图 | 电子宇宙射线能谱图。根据理论预测，如果暗物质直接湮灭成正、负电子对，将在1TeV处出现一个非常陡的特征性截断。

但遗憾的是，这已经超出了先前的探测器的探测范围。而“悟空”号的一项重大突破，正是将空间探测器的探测波段提升至1TeV以上，为人类打开全新的观测窗口。经过近两年的观测，“悟空”号首次直接测量到1TeV处的能谱拐折。（见下图）

令“悟空”号团队感到欣喜的，还有一项意料之外的现象：在1.4TeV处，探测器观测到尖锐的能谱结构。研究团队表示，这一现象仍需更多观测数据予以证实，他们期待“悟空”号接下来一年的数据能确证这一结构。一旦得以确认，理论物理学家将对其来源进行进一步分析。研究团队称，该结构隐藏着两类可能的解释：或是为暗物质粒子的存在提供新的证据；或是银河系中存在前所未见的新奇天体（它们可以加速出几乎单能的高能电子）。无论哪一种解释，都将成为引人瞩目的重大突破。

图 | “悟空”号发回的电子宇宙射线能谱数据（红色），以及与此前的美国费米卫星（蓝色）、阿尔法磁谱仪（绿色）测量结果的比较。

在“悟空”号背后，是一支由紫金山天文台、中国科学技术大学、近代物理研究所、高能物理研究所与国家空间科学中心等机构组成的研发团队。而该项目的首席科学家，是紫金山天文台的副台长常进研究员。近20年前，常进在南极放飞了一枚探测高能电子的气球，开启了他对暗物质的搜索之旅。2011年，中国的暗物质空间探测计划在中国科学院的支持下立项，曾辗转数地的常进也终于有机会率领团队，实现了国际上基于TeV电子宇宙射线的最精确、最高效的暗物质探测。

在“悟空”号首批成果即将公布之时，《环球科学》记者采访了该项目首席科学家常进等人，深入讲述“悟空”号及其背后的故事。

图 | 2015年12月17日，“悟空”号在酒泉卫星发射中心发射升空。

科学家总能从怪异现象中找到灵感。上世纪30年代，瑞士天文学家弗里茨·兹维基（Fritz Zwicky）发现，星系团的总质量远大于根据发光度计算的结果，最多可能有99%的质量无法解释。也就是说，星系运动速度太快，仅靠发光物质束缚不住这些星系。兹维基因此推测星系团中存在大量不发光的物质，善于创造新名词的他把这种物质称为暗物质。

这为物理学开创了新的研究领域。从上世纪70年代开始，这种神秘物质就一直处于物理学研究的最前沿。但长期努力未能求得理想结果，科学界只是知道这种物质不仅“看不见”，其特性和标准物理模型中的任何基本粒子也都不相同，是一类全新的物质形态。

很多科学家都希望自己能揭开这种神秘物质的面纱。不过，如果时光倒流20年，常进应该不会想到自己会成为这些科学家中的一个。当时，刚过而立之年的常进提出了一种新的电子宇宙射线探测方法。在随后的南极实验中，正是这种新方法帮助当时的科学界发现了电子宇宙射线数据中的异常，这给暗物质探测带来了希望，常进的事业随之迎来转折。

新的希望虽然妙手偶得，但成功绝非轻而易举，常进的对手数量众多且都实力不俗，包括欧洲大型强子对撞机、锦屏山地下实验室和丁肇中领导的阿尔法磁谱仪都为全球所关注，他们都是暗物质探测领域的核心力量。但当常进主导的“悟空”号暗物质探测卫星在2015年12月顺利升空后，他和他的团队终于进入暗物质间接探测竞赛的前沿。

51岁的常进现在是紫金山天文台的副台长，出生于江苏泰兴的他衣着朴素，步履迅速，总是斗志昂扬。他需要这样的状态，他有太多工作需要完成，还有一个牵涉多个国家的团队需要带领，任何懈怠都可能影响目标的实现。过去几年，他一直在北京、上海、南京和其他几个城市之间穿梭，所有工作的目标都高度一致：寻找暗物质。最近，数据上的突破终于让他少了紧张，多了兴奋，“我们还在按部就班地分析，要确保数据准确。”常进说：“观测数据的确令人振奋，但其意义还需要物理学家、天文学家分析和解读。”