中国暗物质粒子探测卫星“悟空”

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。自2015年12月17日发生升空以来，“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。令“悟空”号团队感到欣喜的是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。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。

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

一、暗物质的发现

天文学家们是从20世纪30年代开始意识到宇宙中存在着看不见的暗物质。1933年，瑞士的天文学家弗里茨·兹威基对距离地球3.2亿光年、由超过3000个星系组成的后发座星系团进行了观测。他采用了两种不同的方法来测量星系团的质量。第一种方法是对大量星系的运动速度进行分析，因为速度与引力有关，所以可以间接估计出星系团的质量。用这个方法得到质量称为“力学质量”。另一种方法是通过星系团内星系的亮度来估计质量，因为恒星质量越大就越亮。这样得到的质量称为“光度质量”。

按说力学质量和光度质量应该相近，然而实际得到的结果是，力学质量比光度质量高了400倍左右！也就是说，力学质量里的绝大部分是我们看不到（不发光）的物质。如果没有这部分“看不见的物质”的作用，那么这个星系团的引力就不足以将其中的星系像现在这样束缚在一起。

之后，有很多天体物理学家对此进行了研究，并获得了大量的实证性数据。20世纪80年代，科学家正式提出了“暗物质”这个名称。现在普遍认为，暗物质占宇宙组成的大约23%，另一种神秘的东西——暗能量占到了大约73%。也就是说，这个宇宙96%的组成我们都还不清楚到底是什么。暗物质是恒星、星系等天体形成的种子，暗物质是什么，直接关系着我们自身的起源。暗物质之谜的解开，也将是粒子物理学的一次飞跃。

二、暗物质的可能成分和特性

科学家们通过对天体的观察和研究发现，暗物质具备如下特征：

1. 不发出任何光

2. 几乎不与任何物质发生碰撞

3. 在宇宙早期时速度几乎是零

4. 宇宙中存在的量大约是可见物质的5倍

科学家认为，满足上述特征、有希望成为暗物质的基本粒子有两种：中轻微子和轴子。中轻微子是一种理论上预言的粒子，尚未被发现。它不带电，质量是质子的1000倍左右，因为质量大所以运动得很慢。它既不发光，也很少与其他物质发生碰撞。在宇宙中的数密度平均是1000立方米1个。轴子也是一种理论上预言的粒子，它的质量非常小，大约只有质子的100万亿分之1。假如轴子就是暗物质的的话，数密度可以达到1000立方米1017个。从宇宙早期诞生时开始，轴子的速度就几乎为零，这是因为它几乎不与其他粒子发生碰撞，也就无法得到能量。

三、寻找暗物质的三条路线

暗物质完全不会与任何可见物质发生作用，科学家也就不能做出一个容器来捕捉这些暗物质。但暗物质并没有暗到无法被发现的地步，它的湮灭会放出伽马射线、中微子和其他带电高能粒子，这就为暗物质的发现提供了理论依据。

目前，寻找暗物质有三种路线：

一是利用加速器探测。即通过高能粒子碰撞模拟宇宙大爆炸，将暗物质粒子打出来，然后再观测其性质。在瑞士，当今世界上最大的加速器上有两个大型的实验装置——ATLAS和CMS就一直在做这方面工作。这种方法在理论上简单直接，实现起来却困难重重，迄今为止都没有任何大型对撞机能给出让人兴奋的答案。

二是通过观察碰撞来探测。这种方法基于一种假设：暗物质粒子会和普通原子核碰撞（目前得到普遍应用的三种候选原子分别是硅、氙和氩），如果静止的原子核动了一下，就可能是暗物质碰撞引起的。之后，只要把这个碰撞转化成光信号、电信号或者热信号，科学家就能推断出暗物质的存在，进而研究它的性质。

但这种观测方法有着非常苛刻的要求。因为地面上使用的材料里都有很微量的放射性元素，这些放射性元素衰变的时候，发出的辐射的能量范围和暗物质粒子碰撞时一样；另外，天上也有大量高能粒子，高能粒子和大气作用产生的次级粒子也会影响对暗物质的观测。要解决这些问题，最好的办法就是把检测装置埋藏在非常深的地下。实验室越深，宇宙射线对观测的干扰就越小。在四川的雅砻江锦屏山隧道里，中国就建成了世界上最深的地下实验室，在这个位于2500米厚的山体下面的实验室里，宇宙射线通量可以降到地面水平的亿分之一。即便如此，在实际运行了6年时间之后，这里仍然没有发现暗物质的踪迹。

三是到空间探测暗物质粒子相互碰撞后产生的可见粒子。星系中，普通物质是盘状的，只有暗物质相互作用才可能产生云状的伽马射线分布。因此，只要在GeV以上级别的能段上探测到伽马射线谱线，或者发现了球状或云状分布的伽马射线辐射，那就是宇宙在向人类发出强烈暗示：我们可能找到了暗物质。

四、“悟空”团队的工作

常进率领的“悟空”团队选择的就是这第三条路线。

“悟空”代表着中国最高超的制造工艺。1立方米的探测器集成了75 916个子探测器，4个核心部件——塑闪阵列探测器、硅微条探测器、BGO量能器和中子探测器——各有用处又互为备份。通过将高能粒子能量转化为光信号和电信号，这些部件可以精确测出粒子的能量、发射方向和其他性质。

目前，“悟空”是暗物质间接探测领域中的第一利器，它对入射粒子的位置测量精度可以达到头发丝直径的百分之一。由于可以探测电子、伽马射线和质子的能量、方向、携带电荷和到达时间等12个变量，“悟空”的价值远远超过任务本身，它可以回答科学界的很多疑问。

按照最初的规划，“悟空”号将在升空后的两年时间内完成一次全天扫描；之后一年，“悟空”号将对暗物质较多的地方进行针对性扫描。这样，在三年设计寿命到期前，“悟空”号将给出很多关于暗物质的证据，由此积累的大量数据也是进一步分析的基础。

现在，这颗卫星已经运行近两年，搜集到的数据让这一代科学家距离梦想近了很多。虽然“悟空”号返回的数据让团队距离谜题的答案越来越近，但所有科学家都保持着相当的谨慎，“这只是万里长征的第一步”。