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2016-2017

常进:空间探测暗物质粒子| 2016年·第3期
发布时间:2016-05-31    1333   
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演讲者常进(中国科学院院士,暗物质粒子探测卫星“悟空”号首席科学家)

演讲时间:2016年5月


如果从太阳系边缘眺望地球,地球就像一颗浮尘,而当我们从一个更宏大的视角来观望,会发现相对于整个银河系,太阳系可能连一颗浮尘都算不上,它只是一个点!


  

银河系是一个棒旋星系,有两个大的旋臂,两个大的旋臂又分为很多小的旋臂。银河系里的发光物质分布在大约10万光年尺度的范围里,太阳与银河系中心的距离大概是2.5万光年,以约2.3亿年的周期绕着银河系中心旋转。


位于北京兴隆的郭守敬望远镜(LAMOST)是目前我国最大的光学望远镜,利用它,研究人员测量了大量的恒星光谱,基于测量数据计算出太阳绕银河系中心旋转的速度大约是240公里/秒。我们知道,人造卫星绕地球旋转,离地球越近的时候速度越快,离地球越远的时候速度就越慢。如果在离地球很远的地方保持高速,它肯定会冲出地球系统而进入太阳系。根据太阳的质量位置等信息,加上银河系中间发光物质的分布,我们可以准确地计算出,太阳在其轨道上的公转速度应该是160公里/秒左右,那么它是如何在240公里/秒的速度下还能保持在其轨道位置而没有飞出去呢?


那是因为太阳和银河系中心间存在着大量我们看不见的物质——“暗物质”。我们测量银河系外围的星云,它们环绕银河系中心旋转的速度大概为大约是200公里/秒,根据速度-距离关系,可以推断出银河系里的总物质应该为已经观测到的发光物质的10倍左右。我们知道,银河系中大概有1000亿颗恒星,但银河系的物质总质量约为这1000亿颗恒星质量的10倍!还有约90%的东西是不发光的。

 

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最新的观测结果表明,宇宙的奥秘我们只弄清了大约5%,还有95%的是看不见的暗物质和暗能量,其中暗物质大概占25%,暗能量则占接近70%。


暗能量是另外一个重要的前沿问题,暂不讨论,我们今天重点讲暗物质。许多天文观测结果都表明暗物质是真实存在的。但是暗物质的物理性质是什么呢?


到目前为止,人类已经弄清楚的物质成分大概由61种基本粒子构成,其中希格斯粒子,也就是我们常说的“上帝粒子”,于2012年在欧洲核子研究中心(CERN)被发现,是通过大型环形加速器让两个粒子加速碰撞产生的。可是目前已知的61种基本粒子和暗物质粒子的物理性质都不吻合。暗物质粒子必须具备什么性质呢?它们必须寿命长、质量大,不参与强相互作用(但可能有弱相互作用),也不参与电磁相互作用,只有引力相互作用。


暗物质粒子探测为什么这么热门呢?原因就在于,如果我们在暗物质方面取得突破,那意味着我们也会在粒子物理学上取得突破性进展。至于暗物质为什么这么难探测,我给大家讲一个故事。


我有个朋友,现在已经退休了。在希格斯粒子刚刚被提出的20世纪60年代,他正好是高能物理专业的研究生,主要研究方向就是寻找希格斯粒子。当时大家预估希格斯粒子的质量在MeV量级(注:MeV是能量单位。爱因斯坦质能方程告诉我们,质量和能量是可以相互转换的,因此在粒子物理领域,常用质量所对应的能量来表示粒子的质量。电子的质量大约是0.5MeV)。我们知道实验室中核物理实验涉及的能量大部分都在MeV量级,所以大家认为可以在实验室探测到希格斯粒子。当然,后来没有探测到,于是大家认为希格斯粒子的质量可能在几十个MeV,接近GeV(1 GeV = 1000 MeV )量级,必须要到加速器上才能探测到。


后来他到斯坦福大学去做博士后,在那里研究了5年,还是没能探测到希格斯粒子,于是人们认为希格斯粒子的质量可能在GeV以上。当时德国有一个世界上最大的加速器DESY,物理学家在那个加速器上花了10年时间还是没找到希格斯粒子,于是将希格斯粒子的质量调整到几十个GeV量级。


后来,位于瑞士和法国交界位置的CERN建造了当时最大的粒子加速器,这个加速器叫LEP对撞机。物理学家们在那个加速器上又干了十几年,仍然没有找到希格斯粒子。于是人们认为希格斯粒子的质量可能在100GeV以上。


后来更大的大型强子对撞机LHC建好了,在那里,物理学家们找到了希格斯粒子。此时,我那位朋友已经退休了。从这个故事我们也可以看出每一个物理发现都是如此艰难。


到目前为止,我们依然不知道暗物质粒子质量究竟多大,但是我们都希望类似的故事不要在自己身上发生,我们只有努力工作,才有希望尽快找到暗物质粒子。


在宏观分布上,暗物质是宇宙的主要物质成份,但在微观上,其密度并不高。通过估算,我们可以推算出在地球附近的暗物质密度大概是0.3个/立方厘米。这个叙述比较枯燥,我们打个比方,地球这么大的体积,如果装满了暗物质,按照上述密度的话,大概只有几公斤到几十公斤。可见在地球这么大的体积上寻找暗物质是一件很艰难的事情。


探测暗物质粒子通常有三种方法。第一种是在加速器上探测,通过高能粒子碰撞模拟宇宙大爆炸初期的状态,将暗物质粒子碰撞出来。目前世界上最大的加速器就是发现上帝粒子的那个强子对撞机,其设计对撞能量是14TeV,目前运行中对撞能量已经达到了13TeV。可惜十年下来,在暗物质粒子探测方面没有取得什么成果。


第二种方法是地下直接探测,这种方法是通过探测暗物质粒子与普通原子核碰撞的方法来探测暗物质。就像打台球一样,一个球碰撞另外一个球,虽然暗物质粒子本身不可见,但是暗物质粒子碰撞另外一个球(原子核)以后,那一个球就会动,通过探测这种碰撞就可以探测暗物质粒子,即通过探测反冲原子核来探测暗物质粒子。这种碰撞的能量量级大概在KeV到MeV量级,由于在这个能段,地面上存在大量的本底噪声,尤其是宇宙射线产生的大量次级粒子就处在这个能段,所以为了屏蔽这些本底噪声,必须把探测器放到地底下。放得越深本底就会越低,我们国家在锦屏山建设了世界上最深的地下实验室,来探测暗物质粒子。


第三种方法是空间探测暗物质粒子,因为暗物质粒子来自宇宙大爆炸初期,在宇宙大爆炸刚开始的时候,暗物质粒子和暗物质粒子碰撞,产生了看得见的粒子。我们通过探测空间中暗物质粒子碰撞所产生的测得到的粒子,去探测看不见的暗物质粒子。


到目前为止,加速器上没有看到暗物质粒子的信号,地下实验也没有看到暗物质粒子的信号,空间暗物质实验也没有看到,但是我们看到了一些迹象。比如丁肇中先生领导的AMS团队通过比对5年多的数据,发现宇宙中的高能正电子的流量比理论模型要高;理论模型预计正电子流量应该随着能量的增加而减少,但是他们发现,随着能量的增加,流量并没有降下来,反而增加了。这些增加的正电子是来自暗物质粒子,还是来自特殊的天体物理过程,我们并不是很清楚。目前我们还没有办法下结论的主要原因是探测器尺寸和灵敏度受限,观测的能量区间比较低,所以我们需要一个新的探测器,通过探测天上的高能粒子的能量、方向、电荷,来鉴别出它的种类,来探测暗物质粒子。这也是我们暗物质卫星提出的主要的背景。


暗物质粒子探测卫星,实际上是一个望远镜,它工作在特别高的能量段,大概比可见光波段高万亿倍。这么高能量的光子和探测器作用以后,不会产生反射、折射这些普通的光学过程,它们的作用结果大部分是以粒子发射的形式出现。高能光子和探测器发生作用以后产生正负电子对,我们这个望远镜通过探测正负电子对的方向、能量,来判断天上高能光子的方向和能量。

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整个探测器从上到下大概有四层。最顶部的塑料闪烁体探测器是用来区分粒子的电荷的,它是中科院近代物理所研制的;中间的硅阵列探测器是高能物理所和一些国际团队合作做的;再下面一层是最主要的探测器——1吨多重的BGO量能器,这个探测器是由中国科学技术大学负责做的;最底下的中子探测器是紫金山天文台做的。四个探测器组合在一起,可以高精度地测量入射粒子的方向、能量、电荷,并鉴别出粒子的种类。


2015年年底,暗物质粒子探测卫星发射,到目前为止各项性能工作正常。整个探测器1.4吨多重,功耗600瓦,工作在500公里高度的太阳同步轨道上。太阳从早到晚都可以照到卫星上,这可以保证卫星的温度相对稳定。


暗物质粒子探测器由7万多路传感器组成,所以每一个高能粒子打上去,有7万多个信号出来。根据7万多个信号,我们可以判断入射粒子的能量、方向、电荷。


到目前为止,探测器在TeV能段的能量分辨率是1.4%,比世界上所有其他在空间中的卫星(包括AMS02探测器)的能量分辨率都要高2倍以上。这意味着,在能量测量方面,我们达到世界最高水平。电荷测量方面,我们的探测器覆盖从氢元素到铁元素的26种元素,对铁元素的电荷分辨率大概在0.3,这也和世界最高水平相当。


希望在不远的将来,我们中国人能够从浩渺的宇宙中找到暗物质粒子。

 

附录

(本文基于常进2016年和2017年在“墨子沙龙”的演讲,在这之后,“悟空”公布了几次重要成果。)

 

成果一:

2017年11月,中国暗物质粒子探测卫星(DAMPE)“悟空”号科学团队,通过分析在轨运行530天采集到的28亿例高能宇宙射线,从中“筛选”出大约150万个25GeV以上的高能电子宇宙射线,成功获得目前国际上精度最高的TeV电子宇宙线能谱。这一成果发表于《自然》(Nature)杂志。


悟空号的结果的重要科学意义在于,首先,其能量测量范围相比于国际上同类空间实验如AMS-02,Fermi-LAT有显著提高;其次,悟空号在TeV能量段的电子质子排斥比非常高,这使得其电子能谱的精确性很高。另外,这也是悟空号首次直接观测到电子宇宙线能谱在 1TeV处的拐折,此拐折反应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能量低于1TeV电子是否来自于暗物质起着关键性作用。

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                          图1. 高能电子宇宙线能谱


成果二:

2018年9月,中国暗物质粒子探测卫星(DAMPE)“悟空”号科学团队,基于前两年半的数据,共收集到2000万个高能质子事例,精确绘出高能质子宇宙射线能谱,并观测到能谱新结构。这一研究成果刊发在《科学》杂志子刊《科学进展》(Science Advances)上。


宇宙射线中数量最多的粒子就是质子,约占总量的90%,精确测量高能质子能谱,对于宇宙线物理的研究具有重要意义。“悟空”号首次在空间实现了0.04—100 TeV能段宇宙线质子能谱的精确测量。通过能谱可以看出质子通量先上升、后下降的“拐折”结构,此结构很可能预示着地球正好毗邻某个宇宙线源,随着后续研究进一步深入,人类有望直接定位这一邻近的宇宙线源。宇宙射线源相当于一个天然的超级粒子加速器,探究宇宙射线中的高能粒子,可能打开现有物理模型之外的新世界。

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图2.高能质子宇宙线能谱

 

 

成果三:

2021年5月,中国暗物质粒子探测卫星(DAMPE)“悟空”号科学团队,基于四年半的观测数据,绘出宇宙线氦核70GeV—80TeV能段能谱,这是迄今最精确的高能氦核宇宙射线能谱,并观察到能谱新结构。这一研究成果刊发在物理学权威期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。


这是“悟空”继精确测量电子能谱、高能质子宇宙射线能谱后,第三次发布的重要科学成果,标志我国在空间高能粒子探测方面已跻身世界前列。


“悟空”号的测量结果相比于国际同类型空间实验,在TeV以上能段的精度显著提高。氦核能谱和质子能谱体现出非常类似的行为,预示着它们存在共同的起源。“悟空”号质子和氦核结果还表明二者能谱拐折的位置近似正比于其电荷。这一新的拐折结构及其电荷依赖的特性预示着它们可能来自邻近地球的同一个宇宙线加速源,拐折能量对应于该源的加速上限。

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图3.高能氦原子核宇宙线能谱

 


常进:暗物质粒子探测卫星“悟空”号首席科学家,中国科学院院士。在空间伽马射线和高能带电粒子探测技术上做出了开创性贡献,是中国空间天文学领域的学术带头人之一。现任中国科学院国家天文台台长、中国科学技术大学天文与空间科学学院院长。